【正文】 es the selected sensors, data acquisition module, program design, the selection of hardware and software of this graduation project. In the third chapter, based on the proposed test program, designs to draw a plete mechanical assembly drawings and part drawings of measuring device, and elaborates mechanism design ideas and method of assembling, then builds threedimensional model to check the machinability and operability of this device. In the fourth chapter, I test the data acquisition module, and write the block diagram which the data acquisition part of test system required by using the LabVIEW programming software, then test the program to prove its feasibility. In the fifth chapter, I assemble rotor characteristic test device, and collecte the parameters of rotor, analyse the data to find out the approximate relationship between speed and lift, speed and torque, and finally make certain improvements. The system has good scalability, is easy for improving, promoting and using. KEY WORDS: Rotor characteristics。 在第四章中，針對所采用的數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行程序測試，并且利用 LabVIEW程序設(shè)計(jì)軟件編寫出了測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分所需要的程序 框圖，同時針對該程序進(jìn)行測試證明其可行性。本課題是從功能需求 → 方案設(shè)計(jì) →結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)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)。摘 要 I 論文題目： 空中機(jī)器人旋翼特性測控系統(tǒng)開發(fā) 摘 要 空中機(jī)器人因其機(jī)動性好，控制靈活方便而廣泛應(yīng)用于很多軍、民用場合中。論文的主要工作包括： 首先，介紹了直 升機(jī)旋翼的作用以及國內(nèi)外研究的發(fā)展?fàn)顩r，進(jìn)而闡述了旋翼特性測控的重要性，然后給出了整體的旋翼特性測試方案。 在第五章中，利用所設(shè)計(jì)出的旋翼特性測試系統(tǒng)對于測試裝置進(jìn)行組裝和連接，并且對旋翼各參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，找出旋翼轉(zhuǎn)速與升力、轉(zhuǎn)速與扭矩之間的大致關(guān)系，最后針對該測試方案提出一定的改進(jìn)意見。 Speed。 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。 空中機(jī)器人設(shè)計(jì)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。 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。 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(jì)新技術(shù)等。 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。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。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。馬奧尼、保羅控制器從 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。從旋翼的遙測記錄基站，并顯示在屏幕上。 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}。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。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(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)碼，對于數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和顯示。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(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行 運(yùn)算。 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。 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。 轉(zhuǎn)速測量 在轉(zhuǎn)速的測量方面，所采用的傳感器是接近傳感器。使檢測線圈內(nèi)產(chǎn)生交流磁場，并對金屬體所產(chǎn)生的渦電流引起的阻抗變化進(jìn)行檢測。 扭矩測量 針對扭矩的測量所采用的傳感器是扭矩傳感器。 此次對于轉(zhuǎn)速的測量所采用的扭矩傳感器的型號為 WAN5， 適用于靜態(tài)、非連續(xù)旋轉(zhuǎn)的扭矩力值測量 如圖 23 所示： 圖 22 WAN5 型扭矩傳感器 該扭矩傳感器的尺寸如圖 23 所示： 西安交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 23 WAN5 型扭矩傳感器尺寸 圖 圖中所示各尺寸數(shù)據(jù)為， A=， H1=55mm， H2=30mm， Ф1=59mm，Ф2=32mm， Ф3=45mm， Ф=。 WAN5 扭矩傳感器的技術(shù)指標(biāo)如表 21 所示： 表 21 WAN5 扭矩傳感器技術(shù)指標(biāo) 量程范圍 (N 零點(diǎn)輸出 (%F 輸出溫度影響 (%F5Ω 絕緣電阻 (MΩ) ≥5000 安全過載 (%F 拉壓力傳感器的測量原理是以彈性體作為中介，通過力作用在貼在傳感器內(nèi)的電阻應(yīng)變片，使其阻值發(fā)生變化，再經(jīng)過相應(yīng)的電路轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行輸出，從而實(shí)現(xiàn)對于拉壓力的測量。 拉壓力傳感器的類型較多，常見的主要有 S 型拉壓力傳感器、 Z 柱式拉壓力傳感器、 L 型高精度拉壓力傳感器、 U 型拉壓力傳感器等。 該傳感器所采用的緊固方式為螺紋緊固。 蠕變 (％ F 滯后誤差 (%F 零點(diǎn)溫度系數(shù) (%F 輸入阻抗 (Ω) 700177。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)或者其 他專用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。目前市場上有一種二合一采集卡，二合一，指的是數(shù)字模擬采集卡， AV+DV 采集卡，數(shù)字、模擬二合一，數(shù)字輸入輸出，模擬接口輸入 (DV/AV/Svideo)。 USB4711A 便攜式數(shù)據(jù)采集模塊的技術(shù)指標(biāo)如表 23 所示： 西安交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 表 23 USB4711A 便攜式數(shù)據(jù)采集模塊技術(shù)指標(biāo) 模擬輸入 兩極輸入 (V) 177。 LabVIEW 是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器公司 (NI)研制開發(fā)并推出的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境，被視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和一起控制軟件。圖形化的儀器編程環(huán)境，它使用“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，使用大多數(shù)工程 師多熟悉的數(shù)據(jù)流程圖式的語言編寫程序，被譽(yù)為“工程師和科學(xué)家的語言”。靈活的程序調(diào)試手段，可以在源代碼中設(shè)置斷點(diǎn)，單步運(yùn)行，在數(shù)據(jù)流上2 旋翼動態(tài)特性測試方法 13 設(shè)置探針，加亮執(zhí)行。 從圖 31 由上往下依次觀察，一片旋翼槳葉的下側(cè)固定一個小金屬塊，同時在旋翼所連接的底座一側(cè)卡接安裝上接近傳感器，并調(diào)整好傳感器感應(yīng)端與小金屬塊的垂直距離在 35mm 范圍內(nèi)，即可采集轉(zhuǎn)速信號。整個裝置穩(wěn)定可靠，各零部件不存在干涉，且加工成本較低、拆裝簡便易行。 扭矩傳感器底座 扭矩傳感器底座部分的 加工尺寸圖如圖 34 所示： 圖 34 扭矩傳感器底座加工尺寸圖 3 測試實(shí)驗(yàn)臺機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 圖 34 中 Ф45的環(huán)形陣列 孔與扭矩傳感器下端進(jìn)行螺栓法蘭固接， Ф80的環(huán)形 孔陣列同拉壓力傳感器上端的底座進(jìn)行螺栓法蘭緊固，從而有效連接扭矩傳感器和拉壓力傳感器。 測試裝置所需各標(biāo)準(zhǔn)緊固零件 旋翼動態(tài)特性測試裝置各零部件之間除扭矩傳感器上端與旋翼底座下端的緊固連接方式為方形銷連接外，其余各零部件的連接方式均為螺紋螺栓緊固連接。 USB4711A 鏈接至電腦并驅(qū)動成功后，在 Advantech Device Manager 中添加USB4711A，如圖 41 所示： 圖 41 Advantech Device Manager 選擇 USB4711A，并單擊 TEST 對其進(jìn)行采樣測試，由于數(shù)據(jù)采集模塊并未鏈接任何的傳感器，屬于空載狀態(tài)，因此其輸出的采樣結(jié)果是隨機(jī)的，如圖 42所示： 4 數(shù)據(jù)采 集測試 21 圖 42 USB4711A 空載時采樣測試情況 由于數(shù)據(jù)采集模塊自帶的數(shù)據(jù)采集測試在對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的過程當(dāng)中，只能顯示當(dāng)前的數(shù)據(jù)采集情況，而無法對所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析，因此，該課題采用 LabVIEW 對 USB4711A 進(jìn)行連接并采集記錄數(shù)據(jù)采集模塊所采集到的數(shù)據(jù)。此外 LabVIEW 程序非常容易和各種數(shù)據(jù)采集硬件集成，還可以和多種主流的工業(yè)現(xiàn)場總線通信以及與大多數(shù)通用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫鏈接。 數(shù)據(jù)采集模塊鏈接一個角速度傳感器進(jìn)行模擬量數(shù)據(jù)采集的測試 ，開始運(yùn)行時選擇對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模塊為 USB4711A,，采樣通道為 0，以及輸入信號增益為 +/5V， LabVIEW 即開始讀取數(shù)據(jù)采集模塊所采集到的數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行記錄，采樣情況如圖 44 所示： 圖 44 LabVIEW 采集模擬量輸入前面板 傳感器靜止時，其所采集到的值大致分布在 左右，當(dāng)傳感器發(fā)生轉(zhuǎn)動4 數(shù)據(jù)采 集測試 23 時，數(shù)據(jù)即發(fā)生變化，而當(dāng) USB4711A 空載時，所采集的數(shù)據(jù)就呈現(xiàn)一種隨機(jī)的狀態(tài)。通過參考研華公司設(shè)計(jì)的 文件當(dāng)中的程序框圖，了解并學(xué)習(xí)針對脈沖計(jì)數(shù)的采集所采取的程序框圖構(gòu)建方法。數(shù)據(jù)采集情況如圖 46 所示： 西安交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 46 LabVIEW 采集脈沖計(jì)數(shù)前面板 經(jīng)過 10s 的時間， Counts 顯示的脈沖計(jì)數(shù)為 50，即每秒鐘采集 5 個脈沖，而當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊空載時，采集脈沖數(shù)為 0。采樣速率為每 3ms 采樣一次，所采集到的數(shù)據(jù)分別記錄在三個 LVM 文件當(dāng)中，可以用 EXCEL 進(jìn)行打開并對所采集到的樣本做均值計(jì)算，然后統(tǒng)計(jì)不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下各參數(shù)值，并且對各參數(shù)之間的關(guān)系做回歸分析，找出旋翼轉(zhuǎn)速與扭矩、轉(zhuǎn)速與升力之間的大致函數(shù)關(guān)系。傳感器和變送器連接右側(cè)的數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊通過 USB 接口連接電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，旋翼連接轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，通過改變電機(jī)占空比，來改變旋翼轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到數(shù)據(jù)測試采集的目的。 針對采集到的原始數(shù)據(jù)，扭矩和升力進(jìn)行取均值、轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)圈數(shù)除以時間的處理，所得的數(shù)據(jù)情況表 51 所示： 表 51 測試原始數(shù)據(jù)的初步處理 占空比 轉(zhuǎn)速 (r/s) 扭矩 (V) 升力 (V) 靜止?fàn)顟B(tài) 0 92 173 163 93 150 140 94 118 113 95 101 80 96 61 34 扭矩傳感器的測量范圍為 5N?m，輸出為 +/5V，因此測量的扭矩計(jì)算 系數(shù)為1N?m/V，