【正文】 ............................................................................................. 26 原始數(shù)據(jù)的采集與處理 ................................................................................ 26 曲線方程擬合 ................................................................................................ 28 西安交通大學本科畢業(yè)設計（論文） IV 6 結論與展望 .............................................................................................................. 31 結論 ................................................................................................................ 31 展望 ................................................................................................................ 31 參考文獻 ...................................................................................................................... 33 附 錄 .......................................................................................................................... 34 附錄 1 機械裝置圖 .............................................................................................. 34 附錄 2 機械設計說明書 ...................................................................................... 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 空中機器人又被稱作無人機，是近年來被廣泛研究的一個機器人領域，空中機器人由于其無人駕駛以及控制可操作性好，近來被廣泛應用于軍用以及民用領域，空中機器人也是目前科研活動領域當中最為活躍、技術進步最大、研究采購經(jīng)費做多，同時也是實戰(zhàn)經(jīng)驗最豐富的領域，目前無人機的發(fā)展方面，無論是技術水平還是其種類和數(shù)量，美國均居世界之首位。 直升機本身的結構特點和使用條件、環(huán)境使得直升機事故率遠高于固定翼飛機。直升機事故率高的主要原因，一方面是由于直升機自身特有的結構特點，旋翼和尾槳的交變載荷易導致直升機振動并產(chǎn)生疲勞破壞；另一方面，使用條件和使用環(huán)境惡劣也是直升機事故頻發(fā)的重要原因。因此直升 機旋翼對改進直升機的性能有巨大的作用，對直升機的機動性、操縱性、速度、振動水平、壽命、安全性及維護性等有著巨大的影響，因此世界各國都把直升機的旋翼技術當作直升機的關鍵技術來研制。 空中機器人設計開發(fā)的一個難點就是如何較準確地測定機器人的旋翼特性，目前用于測試旋翼特性的方法大都采用風洞試驗，但由于風洞試驗成本過高且對實驗者要求高而難于廣泛應用。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、轉速特性的測試。本課題是從功能需求 → 方案設計 →結構設計→測控系統(tǒng)設計完整的實踐嘗試，對于獨立開 發(fā)系統(tǒng)將提供有益的經(jīng)驗。 本課題主要針對的研究對象是模型飛機適用的雙槳葉外轉子旋翼，旋翼結構如圖 11 所示： 圖 11 雙槳葉外轉子旋翼 西安交通大學本科畢業(yè)設計（論文） 2 該旋翼的特點是結構簡單，且應用較為廣泛，研究的內(nèi)容為旋翼的轉速、電機扭矩、旋翼升力等動態(tài)旋轉特性的測量，所要完成的任務為針對該模型旋翼，設計一套測試其動態(tài)特性的測量裝置，并對各參數(shù)的數(shù)據(jù)進行有效地采集和分析，以統(tǒng)計出旋翼轉速和扭矩、轉速和升力之間的大致關系。 課題背景及意義 作為直升機的核心部件以及直升機的象征，直升機旋翼很好地解決了直升機操縱力和升力的問題。對于改進 直升機的性能，直升機旋翼有巨大的作用，對直升機的操縱性、速度、振動水平、安全性、機動性、維護性及壽命等方面，具有著非常巨大的影響。有效地改進直升機的旋翼系統(tǒng)，有利于提高直升機的速度和機動性、穩(wěn)定性、減少疲勞應力、降低噪聲、避免共振。因此，目前世界各個國家都把對直升機旋翼的研究當作直升機的關鍵技術。 近年來最引人注目的直升機新技術有旋翼新技術（包括槳葉以及槳轂）、新型反扭矩系統(tǒng)、振動控制技術、復合材料的應用、電子信息新技術的應用及總體設計新技術等。旋翼槳轂的改進和創(chuàng)新是直升機更新?lián)Q代的重要標志之一。直升機具有 長時間懸停、垂直起降、低空低速、機動靈活等特點，并且用途十分廣泛。但是由于直升機本身所具有的結構特點以及使用環(huán)境，直升機的事故率比起固定翼飛機要高出很多，因此，一直以來，直升機的安全控制問題是人們密切關注和研究的內(nèi)容。 對于空中機器人的有效控制，能夠更好地提高空中機器人的任務執(zhí)行能力、飛行準確度以及自身結構的穩(wěn)定性。因此在空中機器人的研究方面，如何更為準確有效地控制空中機器人高空作業(yè)及空中懸停就顯得尤為重要，而這就在于針對空中機器人旋翼的有效控制進行研究，在空中機器人旋翼的控制方面，較為關鍵的是對其在工作狀 態(tài)中的自身動態(tài)旋轉特性進行測量和統(tǒng)計，旋翼的動態(tài)旋轉特性主要包括旋翼的轉速、扭矩、旋翼所能夠提供的升力等方面。 空中機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)動電機的扭矩來保持穩(wěn)定的旋轉運動。旋翼能夠產(chǎn)生直升機飛行所必需的升力、拉力和操縱力，集多項功能于一身，另外，旋翼也是空中機器人的主振源?？罩袡C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)的空氣動力學特 性和動力學特性的掌握，及旋翼設計分析方法、制造、試驗與測試手段的提高。 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，也是機翼。當直升機起飛、著陸和懸停時，這 4 片槳葉象直升機旋翼一樣工作，直升機向前飛行時則被鎖住，變成與機身成 45 度角的前掠和后掠固定機翼。 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 當中，闡述了對于四旋翼機器人的控制和建模，所采用控制的辦法是優(yōu)化這些動態(tài)的機械設計來實現(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。控制器從 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的轉子速度參考 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程藍牙傳輸 串口模塊連接到一臺筆記本電腦基站的 Linux 操作系統(tǒng)。藍牙裝置的范圍可達至 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 空中機器人的旋翼是其自身的關鍵性部件之一，同時也是故障率較高的部件，對旋翼進行實時的監(jiān)測則是保證空中機器人穩(wěn)定安全飛行的重要手段之一。 關于旋翼特性測試的研究，是目前國內(nèi)廣泛研究的一個領域，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)的旋轉信號引出，然后通過有線傳輸?shù)姆绞竭M入 機艙或者是地面的實驗室內(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)場距離實驗處的距離過長的話，或者是飛行實驗中因為機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，或者根本無法實施。 以直 11 軍民兩用型直升機為例，針對軸拉力、扭矩、彎力以及彎矩的測試，中國飛行實驗研究院曾經(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 直升機旋翼測試系統(tǒng)”，該系統(tǒng)成功地解決了變距拉桿的小應變，也解決了機艙與旋翼測試設備之間數(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本科畢業(yè)設計（論文） 4 足之處在于可測量參數(shù)少、三叉件結構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、方位角以及多點揮舞應變的光電測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)安裝在槳轂頂端，同旋翼一起旋轉，在各個槳葉上放置發(fā)光點，通過對發(fā)光點位置變化的檢測，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)揮舞應變。新研制的系統(tǒng)具有很多優(yōu)點，例如可測量參數(shù)多、高精度、寬量程、抗干擾強等。 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、存儲數(shù)據(jù)的同時在線對數(shù)據(jù)進行觀察等。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)應用于直升機主旋翼系統(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)射機調(diào)試、天線發(fā)射接收、接收機的調(diào)節(jié)之后，送達到位同步器，同步器對數(shù)據(jù)流進行波形整形，派生出同步信號，然后通過電平轉換，進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換，送達計算機調(diào)節(jié)碼，對于數(shù)據(jù)進行記錄和顯示。計算機通過局域網(wǎng)對數(shù)據(jù)進行記錄、處理和分析，最后給出實驗報告。南京航空航天大學、中國直升機設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)載荷測試中的應用》表 明，對于該系統(tǒng)的實驗與應用發(fā)現(xiàn)，直升機旋翼的數(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載設備，能夠用于航空航天、國防科技以及民用領域。 針對旋翼擺幅的測定，較成熟的是直升機旋翼紅外測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)的構成包括：紅外光學系統(tǒng)、監(jiān)測電路、計算機硬軟件等。其測試原理是在直升機機首骨架上安裝一個紅外光源，向旋翼的旋轉區(qū)域發(fā)射遠紅外光，經(jīng)過旋翼上固定的反光片反射，由紅外接收裝置進行接收，并對它進行放大、解調(diào)之后送給計算機，由計算機進行 運算。通過檢測葉片穿越該光驅的時間，就能夠計算得出葉片擺幅，同時也能夠計算出轉軸的轉速。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械結構裝配設計及所需各零部件以及零部件設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)程序的編寫和運行。 第五章 介紹了旋翼特性測試系統(tǒng)的組裝運行以及數(shù)據(jù)采集情況，并且對采集到的初始數(shù)據(jù)進行分析，得出旋翼轉速和升力、轉速和扭矩之間的大致關系，同時利用 MATLAB 對數(shù)據(jù)進行二次曲線方程擬合，求出旋翼轉速與升力、轉速與扭矩的二次曲線函數(shù)方程式。