螺旋槳動力系統測試平臺設計研究

席亮亮 王海峰 王亞龍

摘要：電動旋翼無人機因其便捷簡單的操縱性、出色的安全性和可靠性，近年來成為無人機市場的發展熱點，但航時較短是目前的主要弱勢之一，改善這一問題有兩種有效途徑：一種是研發高儲能的電池，但受制于技術的成熟度，現階段該方法并不現實;另一種是提高無人機動力系統的效率。為此搭建了螺旋槳動力系統測試試驗臺，明確了測試方案和技術指標，然后對各采集單元進行了詳細的工程方案設計，基于LabVIEW編寫了試驗臺的多通道數據采集軟件。試驗臺測試的結果與計算數據趨勢吻合較好，數據偏差在10%以內，證明了計算方法的有效性，同時印證了試驗臺可以為動力系統研究提供可靠支持。

關鍵詞：電動旋翼無人機;螺旋槳;動力系統;數值計算;數據采集

中圖分類號：V211.52 文獻標識碼：A

旋翼無人機是消費級無人機的主要類型，一般的旋翼無人機航時在半小時左右，這對于用戶的使用體驗有很大的影響，也限制了其應用領域的拓展。改善這一問題有兩種有效途徑：一種是研發高儲能的電池，但受制于技術的成熟度，現階段該方法并不現實;另一種是提高無人機動力系統的效率。

提高動力系統的效率，首先需要設計在常用狀態高效率的螺旋槳，隨后研究多旋翼無人機動力系統，分別對動力系統的電池、電子調速器和無刷電機建模，根據理論模型得到了電機效率、功率、轉速等重要參數間的關系，開展動力系統電機和螺旋槳的參數匹配方法研究，在此研究基礎之上為多旋翼無人機選擇高效的螺旋槳與電機匹配方案。最后通過試驗系統研究匹配方案的效果。

基于上述需求，本文著力于搭建一套螺旋槳動力系統試驗臺：主要進行了電動力螺旋槳測試試驗臺總體設計，介紹了試驗臺的主要功能、技術指標，以及試驗臺的采集方案，完成了試驗臺方案的搭建，并通過試驗完成了對比分析。

1 螺旋槳動力系統測試試驗臺總體設計

1.1 主要功能與技術指標

電機、螺旋槳、電池和電調的性能以及它們之間的匹配關系，對于多旋翼無人機和以螺旋槳為動力的固定翼飛機來說至關重要[1]。

螺旋槳動力系統測試試驗臺將螺旋槳以及電機、電調、電池等設備，通過設計的輔助結構組裝起來，在驅動電機和螺旋槳旋轉之后，通過數據采集系統實時地采集螺旋槳的拉力、轉速和電機的扭矩，以及整個動力系統所吸收的電流和電壓，數據經過處理就可以得到螺旋槳拉力、吸收功率、力效比等參數的變化曲線[2]。

通過對課題需求和市場的分析，試驗臺測量參數的最大值見表1。

1.2 試驗臺測試方案設計

在本測試方案中，螺旋槳動力系統垂直安裝在支架上，從下至上主要由基座、支架、連接法蘭、拉力扭矩復合傳感器、傳感器轉接法蘭、電機支撐法蘭、電機螺旋槳試驗件、光柵轉速傳感器和保護網等部件構成，方案如圖1和圖2所示。

螺旋槳動力系統測試試驗臺主要包括螺旋槳動力系統試驗件、控制系統、采集系統、輔助保護系統，其中動力系統試驗件包括電機、螺旋槳、電調和電池，控制系統包括接收機、電池和遙控器，采集系統包括各類型傳感器、采集卡以及數據處理軟件，輔助保護系統主要指多種試驗件輔助連接部件和整個試驗臺的保護系統，螺旋槳動力系統測試試驗臺框架設計如圖3所示[3，4]。

1.3 試驗臺采集單元設計

在整個螺旋槳動力系統測試試驗臺方案中，電壓、電流、拉力、扭矩和轉速等參數的測量很關鍵，本文的采集方案如下[5]。

（1）拉力扭矩采集單元

螺旋槳動力系統轉動過程中產生拉力和扭矩，在垂直方向上如果直接固定拉力和扭矩兩個傳感器，這兩者會存在非常明顯的交感誤差，交感誤差值經過初步計算分析在10%左右。本次采用定制的拉力扭矩復合傳感器，它將拉壓力傳感器與扭矩傳感器的制造一體化，該傳感器主要特點有：高精度、高穩定性、抗干擾性好。

（2）電流電壓采集單元

選用市場常見的HK系列電壓變送器和電流變送器進行采集。

（3）轉速采集單元

選取了THK-BY紅外線掃描探測技術的光柵安全光幕紅外探測器，其主要包括發射裝置、接收裝置以及信號處理電路。

（4）溫度和大氣參數采集單元

兩個WZO溫度測量傳感器，其中一個為貼片式的傳感器，適合電調溫度測量，使用時貼于電調表面，后者為磁吸式的傳感器，適合電機溫度測量，使用時吸附在電機外殼。大氣參數通過溫濕壓傳感器采集。

2 試驗臺數采軟件設計

2.1 軟件結構設計

LabVIEW和一般的文本編程語言完全不同，它是數據流驅動的模式，其本質是多線程并行的程序結構，這和本文任務比較契合，數據采集系統包括傳感器、信號調理器、數據采集卡、計算機和測量采集軟件[6]。測控軟件的總體工作流程如圖4所示。

螺旋槳動力系統測試試驗臺測控系統中拉力扭矩、電流電壓、溫度和轉速的測量模塊是以NI-DAQmx函數為采集方法，利用LabVIEW的數據轉化和波形調理模塊對采樣的數據進行濾波處理，以消除高頻干擾;大氣參數測量計算模塊調用了LabVIEW串口通信函數，即VISA的配置串口函數和寫入、讀取、關閉函數，通過循環發送、接受指令字符串的形式完成信號采集，采樣到的字符串通過截取和進制轉化的處理后，記錄并保存[7]。

本次選用USB總線結構的NI cDAQ-9184 4槽NICompactDAQ機箱，配置一個NI9401和一個NI9205的采集卡。

2.2 軟件界面設計

螺旋槳動力系統測試試驗臺測控軟件界面分頁顯示為試驗界面、參數設置、幫助等幾大部分[8]，各個界面有不同的作用，如圖5所示，在試驗界面中，主要包括采集啟動按鍵和停止試驗按鈕，測試數據實時顯示，試驗過程中的主要操作按鈕和參數設置，如初始化清零、濾波、數據存儲、采樣頻率、采樣數、濾波截止頻率、文件記錄數目等。

如圖6所示，在參數設置界面主要包括了NI數據采集卡的參數設置，如卡槽位置分配、采集卡通道分配、各通道采集量的系數、信號寬度設置等。

3 試驗結果與分析

3.1 計算結果校核

本文的螺旋槳選用ARAD-10翼型，以懸停狀態的力效（消耗單位功率形成的拉力）最大為設計目標，基于動量—葉素理論和遺傳算法理論，優化得到的外形如圖7所示。

首先利用數值計算方法對優化的螺旋槳進行計算，即先進行性能的理論校核。

基于Fluent中的非定常數值模擬模塊，利用有限體積法對不可壓N-S方程進行空間離散，梯度插值采用格林一高斯（Green Gauss Node Based）方法，時間推進采用改進的LU-SGS隱式格式，經過網格劃分、邊界條件設置等，對螺旋槳進行了氣動力計算，計算狀態為零風速，得到計算結果與優化算法的計算結果對比如圖8所示[9，10]。

數值計算結果佐證了優化計算方法的精確度，因此后續直接采信優化程序的計算結果。

3.2 試驗結果與分析

試驗臺搭建和調試完成之后進行測試試驗。動力系統試驗采用恒力源T10電機，搭配30in（約76.2cm）螺旋槳，供電電壓12S，搭配120A-HV電調，試驗完成后處理數據。

圖9為試驗測試和計算的螺旋槳靜拉力隨轉速的變化，測試和計算的螺旋槳軸功率隨轉速變化如圖10所示。

螺旋槳測試和計算的力效隨轉速變化如圖11所示，根據螺旋槳的計算數據和電機的效率曲線，計算得到了動力系統力效，與測試得到動力系統力效的對比如圖12所示。

分析圖9與圖10可知，在設計轉速附近，拉力和軸功率的計算值與測量值誤差較小;隨著轉速增加超過3000r/min，計算值比實際測量高10%左右。

分析圖11和圖12可知，吸收同樣的軸功率，測量和計算拉力值比較接近（兩者誤差在6%以內），這說明測量與計算的螺旋槳力效比、動力系統的力效比均吻合的較好。

總結分析以上試驗數據，試驗值和計算值趨勢一致，吻合得較好，計算值相對于試驗值總體偏高，設計點附近螺旋槳拉力計算值比試驗值高5%左右，二者拉力的平均相對誤差在6%以內。這可能是因為計算條件較為理想，試驗過程中保護架增強了地效效應;另外，隨著轉速的增加，螺旋槳和電機等部件的振動增強，對于拉力傳感器的影響會變大，電機支撐架等部件對于氣流也有一定的干擾。

4 結論

旋翼無人機動力系統效率提升有著重要的意義，針對匹配設計的動力系統，需要一個測試試驗臺進行試驗測試。

本文對螺旋槳動力系統測試試驗臺進行總體設計，實現了試驗臺方案定型及三維模型設計，完成了試驗臺的搭建工作，調試并校對了試驗臺的測量精度;根據試驗臺的硬件設備，基于LabVIEW編寫了試驗臺的測控程序，可對數據進行處理后輸出保存;最后使用CFD方法對優化算法計算結果進行了理論校核，針對T10電機搭配設計的螺旋槳進行試驗測試，完成了試驗結果與理論計算結果的對比分析。

試驗數據的對比分析表明，計算結果與試驗結果誤差在可接受范圍內，證明了本文優化程序的精確性，也印證本試驗臺在動力系統提升方面的試驗支撐作用。

參考文獻

[1]龔喜盈，張玉剛，宋筆鋒，等.大尺寸高空螺旋槳氣動力性能試驗方法研究[J].飛行力學，2014（04）：347-350.

[2]焦俊.高空螺旋槳車載試驗系統設計與驗證[D].西安：西北工業大學，2014.

[3]仇志平.凸輪試驗臺測試系統的研究[D].西安：西北工業大學，2007.

[4]王利光，宋筆鋒，邵立民，等.基于虛擬儀器的撲翼試驗測控系統[J].科學技術與工程，2008，8（5）：1224-1228.

[5]郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理及工程應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2000.

[6]劉剛，王立香，張連俊.LabVIEW 8.20中文版編程及應用[M].北京：電子工業出版社，2008.

[7]何俊偉.LabVIEW在多通道數據采集系統中的應用研究[D].廣州：華南理工大學，2009.

[8]馬明建.數據采集與處理技術[M].西安：西安交通大學出版社，2005.

[9]劉沛清.空氣螺旋槳理論及其應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[10]許建華，宋文萍，韓忠華，等.基于CFD技術的螺旋槳氣動特性研究[J].航空動力學報，2010，25（5）：1103-1109.