【正文】 ............................................................................................. 26 原始數(shù)據(jù)的采集與處理 ................................................................................ 26 曲線方程擬合 ................................................................................................ 28 西安交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） IV 6 結(jié)論與展望 .............................................................................................................. 31 結(jié)論 ................................................................................................................ 31 展望 ................................................................................................................ 31 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 33 附 錄 .......................................................................................................................... 34 附錄 1 機(jī)械裝置圖 .............................................................................................. 34 附錄 2 機(jī)械設(shè)計說明書 ...................................................................................... 35 附錄 3 MATLAB 擬合曲線方程的程序代碼 ..................................................... 36 致 謝 .............................................................................................錯誤 !未定義書簽。 1 緒論 1 1 緒論 課題介紹 空中機(jī)器人又被稱作無人機(jī)，是近年來被廣泛研究的一個機(jī)器人領(lǐng)域，空中機(jī)器人由于其無人駕駛以及控制可操作性好，近來被廣泛應(yīng)用于軍用以及民用領(lǐng)域，空中機(jī)器人也是目前科研活動領(lǐng)域當(dāng)中最為活躍、技術(shù)進(jìn)步最大、研究采購經(jīng)費(fèi)做多，同時也是實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)最豐富的領(lǐng)域，目前無人機(jī)的發(fā)展方面，無論是技術(shù)水平還是其種類和數(shù)量，美國均居世界之首位。 直升機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用條件、環(huán)境使得直升機(jī)事故率遠(yuǎn)高于固定翼飛機(jī)。直升機(jī)事故率高的主要原因，一方面是由于直升機(jī)自身特有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，旋翼和尾槳的交變載荷易導(dǎo)致直升機(jī)振動并產(chǎn)生疲勞破壞；另一方面，使用條件和使用環(huán)境惡劣也是直升機(jī)事故頻發(fā)的重要原因。因此直升 機(jī)旋翼對改進(jìn)直升機(jī)的性能有巨大的作用，對直升機(jī)的機(jī)動性、操縱性、速度、振動水平、壽命、安全性及維護(hù)性等有著巨大的影響，因此世界各國都把直升機(jī)的旋翼技術(shù)當(dāng)作直升機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)來研制。 空中機(jī)器人設(shè)計開發(fā)的一個難點(diǎn)就是如何較準(zhǔn)確地測定機(jī)器人的旋翼特性，目前用于測試旋翼特性的方法大都采用風(fēng)洞試驗(yàn)，但由于風(fēng)洞試驗(yàn)成本過高且對實(shí)驗(yàn)者要求高而難于廣泛應(yīng)用。本題目旨在開發(fā)出一種簡單易操作的旋翼特性測試裝置，主要用于旋翼升力、扭矩、轉(zhuǎn)速特性的測試。本課題是從功能需求 → 方案設(shè)計 →結(jié)構(gòu)設(shè)計→測控系統(tǒng)設(shè)計完整的實(shí)踐嘗試，對于獨(dú)立開 發(fā)系統(tǒng)將提供有益的經(jīng)驗(yàn)。 本課題主要針對的研究對象是模型飛機(jī)適用的雙槳葉外轉(zhuǎn)子旋翼，旋翼結(jié)構(gòu)如圖 11 所示： 圖 11 雙槳葉外轉(zhuǎn)子旋翼 西安交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 該旋翼的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，且應(yīng)用較為廣泛，研究的內(nèi)容為旋翼的轉(zhuǎn)速、電機(jī)扭矩、旋翼升力等動態(tài)旋轉(zhuǎn)特性的測量，所要完成的任務(wù)為針對該模型旋翼，設(shè)計一套測試其動態(tài)特性的測量裝置，并對各參數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地采集和分析，以統(tǒng)計出旋翼轉(zhuǎn)速和扭矩、轉(zhuǎn)速和升力之間的大致關(guān)系。 課題背景及意義 作為直升機(jī)的核心部件以及直升機(jī)的象征，直升機(jī)旋翼很好地解決了直升機(jī)操縱力和升力的問題。對于改進(jìn) 直升機(jī)的性能，直升機(jī)旋翼有巨大的作用，對直升機(jī)的操縱性、速度、振動水平、安全性、機(jī)動性、維護(hù)性及壽命等方面，具有著非常巨大的影響。有效地改進(jìn)直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)，有利于提高直升機(jī)的速度和機(jī)動性、穩(wěn)定性、減少疲勞應(yīng)力、降低噪聲、避免共振。因此，目前世界各個國家都把對直升機(jī)旋翼的研究當(dāng)作直升機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。 近年來最引人注目的直升機(jī)新技術(shù)有旋翼新技術(shù)（包括槳葉以及槳轂）、新型反扭矩系統(tǒng)、振動控制技術(shù)、復(fù)合材料的應(yīng)用、電子信息新技術(shù)的應(yīng)用及總體設(shè)計新技術(shù)等。旋翼槳轂的改進(jìn)和創(chuàng)新是直升機(jī)更新?lián)Q代的重要標(biāo)志之一。直升機(jī)具有 長時間懸停、垂直起降、低空低速、機(jī)動靈活等特點(diǎn)，并且用途十分廣泛。但是由于直升機(jī)本身所具有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及使用環(huán)境，直升機(jī)的事故率比起固定翼飛機(jī)要高出很多，因此，一直以來，直升機(jī)的安全控制問題是人們密切關(guān)注和研究的內(nèi)容。 對于空中機(jī)器人的有效控制，能夠更好地提高空中機(jī)器人的任務(wù)執(zhí)行能力、飛行準(zhǔn)確度以及自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此在空中機(jī)器人的研究方面，如何更為準(zhǔn)確有效地控制空中機(jī)器人高空作業(yè)及空中懸停就顯得尤為重要，而這就在于針對空中機(jī)器人旋翼的有效控制進(jìn)行研究，在空中機(jī)器人旋翼的控制方面，較為關(guān)鍵的是對其在工作狀 態(tài)中的自身動態(tài)旋轉(zhuǎn)特性進(jìn)行測量和統(tǒng)計，旋翼的動態(tài)旋轉(zhuǎn)特性主要包括旋翼的轉(zhuǎn)速、扭矩、旋翼所能夠提供的升力等方面。 空中機(jī)器人的旋翼部位是為其飛行時產(chǎn)生升力以及操縱力的核心部件。傳統(tǒng)的空中機(jī)器人旋翼由連接到槳毅上的兩片或是多片槳葉而組成，槳葉通常依靠來自于發(fā)動電機(jī)的扭矩來保持穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。旋翼能夠產(chǎn)生直升機(jī)飛行所必需的升力、拉力和操縱力，集多項(xiàng)功能于一身，另外，旋翼也是空中機(jī)器人的主振源?？罩袡C(jī)器人的飛行性能、駕駛品質(zhì)、振動、噪音水平、壽命及可靠性等問題的解決或改善，都不同程度地依賴于對旋翼系統(tǒng)的空氣動力學(xué)特 性和動力學(xué)特性的掌握，及旋翼設(shè)計分析方法、制造、試驗(yàn)與測試手段的提高。 1 緒論 3 國內(nèi)外研究概況 國外研究概況 目前國外比較流行的旋翼是 X4 旋翼， X 旋翼是美國西科斯基公司七十年代研究提出的一種新原理旋翼。這種旋翼一共具有 4 片槳葉，它既是旋翼，也是機(jī)翼。當(dāng)直升機(jī)起飛、著陸和懸停時，這 4 片槳葉象直升機(jī)旋翼一樣工作，直升機(jī)向前飛行時則被鎖住，變成與機(jī)身成 45 度角的前掠和后掠固定機(jī)翼。 4 片槳葉是空心的，內(nèi)有氣室，槳葉前后緣都有噴氣縫，可向外吹氣，實(shí)現(xiàn)環(huán)量控制，以保持足夠的升力。這種旋翼可避免后行槳葉的失速現(xiàn)象發(fā)生，旋翼的效 率也比較高。 在羅伯特馬奧尼、保羅旁氏、彼得庫克所著 Modelling and control of a quadrotor robot 當(dāng)中，闡述了對于四旋翼機(jī)器人的控制和建模，所采用控制的辦法是優(yōu)化這些動態(tài)的機(jī)械設(shè)計來實(shí)現(xiàn)線性 SISO 解耦的動態(tài)控制。該控制器是穩(wěn)定的板載嵌入式 HC12 控制器?？刂破鲝?CSIRO Eimu IMU 讀取態(tài)度提供角速度和加速度的測量位置和角位置，頻率在 50 赫茲。該控制器輸出到電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度參考 CAN 總線控制卡，頻率也在 50 赫茲。對旋翼狀態(tài)的指揮遙測則是采用一個遠(yuǎn)程藍(lán)牙傳輸 串口模塊連接到一臺筆記本電腦基站的 Linux 操作系統(tǒng)。藍(lán)牙裝置的范圍可達(dá)至 100 米。從旋翼的遙測記錄基站，并顯示在屏幕上。 國內(nèi)研究概況 空中機(jī)器人的旋翼是其自身的關(guān)鍵性部件之一，同時也是故障率較高的部件，對旋翼進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測則是保證空中機(jī)器人穩(wěn)定安全飛行的重要手段之一。 關(guān)于旋翼特性測試的研究，是目前國內(nèi)廣泛研究的一個領(lǐng)域，而對于其特性的測量，則主要集中在旋翼的軸載荷、擺幅、動態(tài)特性等方面。 在旋翼系統(tǒng)軸載荷的測試方面，國內(nèi)較為傳統(tǒng)的測試方法是通過集流環(huán)將旋翼系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)信號引出，然后通過有線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)入 機(jī)艙或者是地面的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，但該系統(tǒng)的問題在于，如果測試現(xiàn)場距離實(shí)驗(yàn)處的距離過長的話，或者是飛行實(shí)驗(yàn)中因?yàn)闄C(jī)械方面的原因而沒有辦法安裝集流環(huán)時，此測試方法的效果就不會很理想，或者根本無法實(shí)施。 以直 11 軍民兩用型直升機(jī)為例，針對軸拉力、扭矩、彎力以及彎矩的測試，中國飛行實(shí)驗(yàn)研究院曾經(jīng)自行研制了“直 11 旋翼固態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”以及“ GSC4SG1 直升機(jī)旋翼測試系統(tǒng)”，該系統(tǒng)成功地解決了變距拉桿的小應(yīng)變，也解決了機(jī)艙與旋翼測試設(shè)備之間數(shù)據(jù)無法傳輸?shù)膯栴}。 針對旋翼的動態(tài)特性測試，我國于 2022 年 前后成功地研制出用于直升機(jī)的“ XJC 旋翼揮舞角、擺陣角激光動態(tài)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用了激光三角唯一傳感器以及線陣 CCD 位移傳感器，實(shí)現(xiàn)了對于揮舞角和擺陣角的動態(tài)測量。但其不西安交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 足之處在于可測量參數(shù)少、三叉件結(jié)構(gòu)對于飛行性的影響以及工作距離較短等方面，因此國內(nèi)又研制了一套可以動態(tài)測量多片槳葉變距角、擺陣角、揮舞角、方位角以及多點(diǎn)揮舞應(yīng)變的光電測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)安裝在槳轂頂端，同旋翼一起旋轉(zhuǎn)，在各個槳葉上放置發(fā)光點(diǎn)，通過對發(fā)光點(diǎn)位置變化的檢測，來獲得各角的時間函數(shù)，同時在槳葉表面放置布拉格光柵傳感器陣列，能夠監(jiān)測槳葉的 動態(tài)揮舞應(yīng)變。新研制的系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如可測量參數(shù)多、高精度、寬量程、抗干擾強(qiáng)等。 對于軸載荷，目前更新的測試方法是采用 KAM500 數(shù)據(jù)采集遙測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備各種功能模塊，如信號調(diào)節(jié)模塊、總線監(jiān)測模塊、固態(tài)存儲及數(shù)據(jù)傳輸模塊等。其先進(jìn)的一體化系統(tǒng)軟件包 KSM ，則可以滿足在使用的時候各種需求，例如自動配置和校準(zhǔn)、存儲數(shù)據(jù)的同時在線對數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察等。該系統(tǒng)所采用的是 16 位的 A/D 模擬數(shù)字變換，具有噪聲低、精度高的數(shù)字濾波器，用以保證非常高的分辨率和測量精度。該系統(tǒng)應(yīng)用于直升機(jī)主旋翼系統(tǒng)的載荷測 試時，所采用的是主從分布式的系統(tǒng)，在測試時， KAM500 系統(tǒng)生成 PCM 串行數(shù)據(jù)流，經(jīng)過發(fā)射機(jī)調(diào)試、天線發(fā)射接收、接收機(jī)的調(diào)節(jié)之后，送達(dá)到位同步器，同步器對數(shù)據(jù)流進(jìn)行波形整形，派生出同步信號，然后通過電平轉(zhuǎn)換，進(jìn)入到主編碼器然后完成合并數(shù)據(jù)流，合并的數(shù)據(jù)流經(jīng)過光纖傳輸以及電平轉(zhuǎn)換，送達(dá)計算機(jī)調(diào)節(jié)碼，對于數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和顯示。計算機(jī)通過局域網(wǎng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、處理和分析，最后給出實(shí)驗(yàn)報告。南京航空航天大學(xué)、中國直升機(jī)設(shè)計研究所以及北京約克公司所發(fā)表的《 KAM500 數(shù)據(jù)采集遙測系統(tǒng)及在旋翼系統(tǒng)載荷測試中的應(yīng)用》表 明，對于該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，直升機(jī)旋翼的數(shù)據(jù)都能夠被正常采集，數(shù)值和波形也都基本正確，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定且無異常出現(xiàn)，因此以KAM500 為核心的遙測系統(tǒng)是一套符合要求的機(jī)載設(shè)備，能夠用于航空航天、國防科技以及民用領(lǐng)域。 針對旋翼擺幅的測定，較成熟的是直升機(jī)旋翼紅外測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)的構(gòu)成包括：紅外光學(xué)系統(tǒng)、監(jiān)測電路、計算機(jī)硬軟件等。其測試原理是在直升機(jī)機(jī)首骨架上安裝一個紅外光源，向旋翼的旋轉(zhuǎn)區(qū)域發(fā)射遠(yuǎn)紅外光，經(jīng)過旋翼上固定的反光片反射，由紅外接收裝置進(jìn)行接收，并對它進(jìn)行放大、解調(diào)之后送給計算機(jī)，由計算機(jī)進(jìn)行 運(yùn)算。通過檢測葉片穿越該光驅(qū)的時間，就能夠計算得出葉片擺幅，同時也能夠計算出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。但該系統(tǒng)也存在一定的誤差，最為主要的誤差是紅外接收裝置的工作環(huán)境所引起的誤差以及定時電路的定時誤差，但誤差不會太大。該系統(tǒng)基本符合測量要求。 論文主要研究內(nèi)容 本論文的主要研究內(nèi)容如下： 第一章 介紹了本論文的選題背景、研究意義及國內(nèi)外發(fā)展概況。 1 緒論 5 第二章 介紹了研究所需傳感器型號以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的硬件和軟件。 第三章 介紹了測量裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計及所需各零部件以及零部件設(shè)計和選擇的考慮原因。 第四章 介紹了針對 USB4711A 數(shù)據(jù)采集模塊工 作情況的程序測試以及旋翼特性測試系統(tǒng)程序的編寫和運(yùn)行。 第五章 介紹了旋翼特性測試系統(tǒng)的組裝運(yùn)行以及數(shù)據(jù)采集情況，并且對采集到的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出旋翼轉(zhuǎn)速和升力、轉(zhuǎn)速和扭矩之間的大致關(guān)系，同時利用 MATLAB 對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次曲線方程擬合，求出旋翼轉(zhuǎn)速與升力、轉(zhuǎn)速與扭矩的二次曲線函數(shù)方程式。