【正文】 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(cè)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。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(shí)候各種需求，例如自動(dòng)配置和校準(zhǔn)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的同時(shí)在線對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察等。但其不西安交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 足之處在于可測(cè)量參數(shù)少、三叉件結(jié)構(gòu)對(duì)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(dòng)態(tài)測(cè)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(cè)試系統(tǒng)。 關(guān)于旋翼特性測(cè)試的研究，是目前國內(nèi)廣泛研究的一個(gè)領(lǐng)域，而對(duì)于其特性的測(cè)量，則主要集中在旋翼的軸載荷、擺幅、動(dòng)態(tài)特性等方面。對(duì)旋翼狀態(tài)的指揮遙測(cè)則是采用一個(gè)遠(yuǎn)程藍(lán)牙傳輸 串口模塊連接到一臺(tái)筆記本電腦基站的 Linux 操作系統(tǒng)。庫克所著 Modelling and control of a quadrotor robot 當(dāng)中，闡述了對(duì)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(dòng)態(tài)的機(jī)械設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)線性 SISO 解耦的動(dòng)態(tài)控制。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。 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。 空中機(jī)器人的旋翼部位是為其飛行時(shí)產(chǎn)生升力以及操縱力的核心部件。直升機(jī)具有 長時(shí)間懸停、垂直起降、低空低速、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，并且用途十分廣泛。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(dòng)性、穩(wěn)定性、減少疲勞應(yīng)力、降低噪聲、避免共振。本課題是從功能需求 → 方案設(shè)計(jì) →結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)完整的實(shí)踐嘗試，對(duì)于獨(dú)立開 發(fā)系統(tǒng)將提供有益的經(jīng)驗(yàn)。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(dòng)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。 Torque。 關(guān)鍵詞 ：旋翼特性；轉(zhuǎn)速；升力；扭矩；數(shù)據(jù)采集 西安交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II Title: The Exploitation of Aerial Robot Rotor Features Control System ABSTRACT Aerial robot, because of its mobility and flexibility, is widely used in many military and civil occasions. The difficulty of aerial robot design and development is how to determine features of the robot39。 在第三章中，根據(jù)所提出的測(cè)試方案，設(shè)計(jì)繪制了完整的測(cè)量裝置機(jī)械裝配圖以及零件圖，并且詳細(xì)闡明了機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)思路以及裝配方法，同時(shí)構(gòu)建三維模型并且檢查了裝置的可加工性以及可裝配性。本題目旨在開發(fā)出一種簡單易操作的旋翼特性測(cè)試裝置，主要用于旋翼升力、扭矩、轉(zhuǎn)速特性的測(cè)試?？罩袡C(jī)器人設(shè)計(jì)開發(fā)的一個(gè)難點(diǎn)就是如何較準(zhǔn)確地測(cè)定機(jī)器人的旋翼特性，目前用于測(cè)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(duì)實(shí)驗(yàn)者要求高而難于廣泛應(yīng)用。 在第二章中，介紹了此次畢設(shè)課題所選用的傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、程序設(shè)計(jì)軟件等所需軟硬件及選擇理由。 該系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，便于以后系統(tǒng)的改進(jìn)、推廣和使用。 Lift。 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)。本題目旨在開發(fā)出一種簡單易操作的旋翼特性測(cè)試裝置，主要用于旋翼升力、扭矩、轉(zhuǎn)速特性的測(cè)試。對(duì)于改進(jìn) 直升機(jī)的性能，直升機(jī)旋翼有巨大的作用，對(duì)直升機(jī)的操縱性、速度、振動(dòng)水平、安全性、機(jī)動(dòng)性、維護(hù)性及壽命等方面，具有著非常巨大的影響。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。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(duì)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(duì)其在工作狀 態(tài)中的自身動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)特性進(jìn)行測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，旋翼的動(dòng)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?？罩袡C(jī)器人的飛行性能、駕駛品質(zhì)、振動(dòng)、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(duì)旋翼系統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)特 性和動(dòng)力學(xué)特性的掌握，及旋翼設(shè)計(jì)分析方法、制造、試驗(yàn)與測(cè)試手段的提高。 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。旁氏、彼得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。 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(shí)也是故障率較高的部件，對(duì)旋翼進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)則是保證空中機(jī)器人穩(wěn)定安全飛行的重要手段之一。 針對(duì)旋翼的動(dòng)態(tài)特性測(cè)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(dòng)態(tài)測(cè)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(duì)于揮舞角和擺陣角的動(dòng)態(tài)測(cè)量。 對(duì)于軸載荷，目前更新的測(cè)試方法是采用 KAM500 數(shù)據(jù)采集遙測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備各種功能模塊，如信號(hào)調(diào)節(jié)模塊、總線監(jiān)測(cè)模塊、固態(tài)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)傳輸模塊等。計(jì)算機(jī)通過局域網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、處理和分析，最后給出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。通過檢測(cè)葉片穿越該光驅(qū)的時(shí)間，就能夠計(jì)算得出葉片擺幅，同時(shí)也能夠計(jì)算出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。 1 緒論 5 第二章 介紹了研究所需傳感器型號(hào)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的硬件和軟件。 西安交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 2 旋翼動(dòng)態(tài)特性測(cè)試方法 本課題所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)其主要分為實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)械裝置部分以及數(shù)據(jù)信號(hào)采集記錄部分，本章著重介紹機(jī)械裝置部分所采用的傳感器以及數(shù)據(jù)采集部分所采用的硬件及軟件兩大部 分內(nèi)容。 接近傳感器是代替限位開關(guān)等接觸式檢測(cè)方式，以無需接觸檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)為目的的傳感器的總稱。 此次對(duì)于轉(zhuǎn)速的測(cè)量所采用的接近傳感器的型號(hào)為 ZJBM1304NA，如圖 21所示： 圖 21 ZJBM1304NA 接近傳感器 2 旋翼動(dòng)態(tài)特性測(cè)試方法 7 該傳感器主體部分是一個(gè)底面直徑為 12mm，高為 55mm 的小圓柱體，圓柱回轉(zhuǎn)面上刻有細(xì)牙螺紋，其上旋有兩對(duì)配套的螺母和墊片，使接近傳感器能夠以卡接的方式穩(wěn)定地固定在測(cè)量裝置的底盤上。 扭矩傳感器又稱為扭力傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器等，它可以被分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩大類。 目前扭矩傳感器所普遍采用的緊固方式有銷緊固、法蘭緊固、平鍵緊固、花鍵緊固等。m) 0~5 綜合精度 (%FS) 177。S/10℃ ) 177。S) 120 供橋電壓 建議 10VDC 材質(zhì) 合金鋼 、 不銹鋼 接線方式 電源 (+)紅線 電源 ()黑線 輸出 (+)綠線 輸出 ()白線 2 旋翼動(dòng)態(tài)特性測(cè)試方法 9 升力測(cè)量 針對(duì)升力的測(cè)量所采用的傳感器是拉壓力傳感器。其優(yōu)點(diǎn)在于精度高、測(cè)量范圍廣、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、頻響特性好。 本課題所采用的傳感器為 S 型拉壓力傳感器，型號(hào)為 JLBSV， JLBSV 傳感器采用懸臂剪切結(jié)構(gòu)，具有測(cè)量精度高、防塵好、安裝容易、使用方便等特點(diǎn)。對(duì)其上下兩端分別放置一個(gè)中心孔徑為 的圓盤，采用標(biāo)準(zhǔn)螺釘對(duì)傳感器和底盤進(jìn)行緊固連接，另外兩個(gè)底盤設(shè)計(jì)環(huán)形法蘭孔陣列，同扭矩傳感器的底座以及整個(gè)裝置的底座進(jìn)行螺栓緊固連接，就能夠很好地保證拉壓力傳感器緊固于測(cè)量裝置內(nèi)了，同時(shí)也保證了測(cè)量的精度和準(zhǔn)確度。S/30min) 177。S) 177。S/10℃ ) 177。15 輸出阻抗 (Ω) 650177。數(shù)據(jù)采集板卡，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集 (DAQ)功能的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡，可以通過 USB、 PBI、 PCI、 PCI Express、火線 (1394)、 PCMCIA、 ISA、 Compact Flash、48 23以太網(wǎng)，以及各種無線網(wǎng)絡(luò)等總線接入計(jì)算機(jī)。 數(shù)據(jù)采集模塊目前廣泛應(yīng)用于移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，包括車輛導(dǎo)航監(jiān)控、智能抄表、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域，尤其是在帶寬要求比較高的多媒體傳輸領(lǐng)域，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)模塊具有明顯的帶寬優(yōu)勢(shì)。10, 5, , , V 頻道數(shù) 16 ./8 Diff 分辨率 12 bits 采樣率 150 kS/s 單極輸入 (V) 模擬輸出 分辨率 12 bits 數(shù)字輸入 /輸出 數(shù)字輸入頻道數(shù) 8 數(shù)字輸出頻道數(shù) 8 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 分辨率 32 bits 時(shí)間基準(zhǔn) 1 kHz USB4711A 支持 USB ，具有便攜設(shè)計(jì)以及總線供電的特點(diǎn)，具有 16 路模擬輸入通道和 12 位的分辨率，其采樣速率高達(dá) 150kS/s，具有 8 路 DI、 8 路DO、 2 路 AO 和 1 路 32 位計(jì)數(shù)器，帶有接線端子，適合 DIN 導(dǎo)軌安裝，其附帶的鎖緊式 USB 電纜用于緊固式連接 。它類似于 C 和 BASIC 開發(fā)環(huán)境，但是 LabVIEW 與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而 LabVIEW 使用的是圖形化編輯語言 G 代 寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。 其中最具特色的是“加亮執(zhí)行”和“設(shè)置探針”，前者用于跟蹤程序運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)流，后者用于在程序運(yùn)行過程中在線顯示數(shù)據(jù)值。支持多種系統(tǒng)平臺(tái)，平臺(tái)之間的 程序可以直接進(jìn)行移植。支持 TCP/IP、 DDE 等功能 此外， LabVIEW 帶有附加的軟件包，如磁盤管理、自動(dòng)測(cè)試、控制欲仿真、信號(hào)處理、圖形獲得與處理、數(shù)值分析工具等。旋翼底座下側(cè)拉伸一挖有方形凹槽的圓柱凸臺(tái)，與扭矩傳感器上端的方形銷固接并形成過盈配合，扭矩傳感器下端與扭矩傳感器底座進(jìn)行螺栓法蘭固接。 測(cè)試裝置各待加工零件設(shè)計(jì)圖 根據(jù)所設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)，不難發(fā)現(xiàn)，本課題所需要設(shè)計(jì)加工制造的零件分別有：旋翼底座 1 個(gè)、扭矩傳 感器底座 1 個(gè)、拉壓力傳感器底座 2 個(gè)、檢測(cè)裝置底盤 1 個(gè)。為方便加工時(shí)的夾具緊固，在毛胚料的設(shè)計(jì)方面扭矩傳感器底座增設(shè)一個(gè) Ф20， H6 的小凸臺(tái)。這些緊固方式所采取的螺釘、螺栓、螺母及墊片均采用國家標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行緊固連接，這樣方便加工及有效裝配。 虛擬儀器應(yīng)用程序的開發(fā)平臺(tái)有很多種，但是目前最為流行的就是美國 NI公司的 LabVIEW。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，使用 LabVIEW 開發(fā)虛擬儀器比使用基于文本的語言開發(fā)效率提高大約 10 倍；同時(shí) LabVIEW 在信號(hào)處理等方面的強(qiáng)大功能又遠(yuǎn)非組態(tài)軟件可比。由此可看出，數(shù)據(jù)采集模塊模擬量采集工作正常，能夠很好地采集模擬量輸入，同時(shí)編寫的程序框圖也能夠保證對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊所采 集到的模擬量進(jìn)行記錄分析。由于設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置針對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)定原理為一定時(shí)間內(nèi)旋翼所轉(zhuǎn)圈數(shù)的統(tǒng)計(jì)，因此可參考該程序以編寫測(cè)定轉(zhuǎn)速的相關(guān)程序。由此可看出，數(shù)據(jù)采集模塊脈沖采集工作正常，能夠很好地采集脈沖信號(hào)數(shù)，同時(shí) 的程序框圖也能夠保證對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊所采集到的脈沖進(jìn)行記錄分析。 針對(duì)編寫好的數(shù)據(jù)采集程序，將傳感器和電源以及 USB4711A 數(shù)據(jù)采集模塊連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖 48 所示： 圖 48 旋翼特性測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集程序運(yùn)行測(cè)試情況 從圖中我們不難發(fā)現(xiàn)，該數(shù)據(jù)采集程序運(yùn)行正常，能夠很好地同時(shí)采集兩個(gè)模擬量以及一個(gè)數(shù)字脈沖計(jì)數(shù)，可以用于采集旋翼的三個(gè)旋轉(zhuǎn)特性。 原始數(shù)據(jù)的采集與處理 本測(cè)試通過改變占空比來改變旋翼轉(zhuǎn)速， 占空比又 被稱為 占空度、占空因數(shù) ，所謂占空比是指直流電機(jī)在一個(gè)通電與斷電 周期中其通電時(shí)間所占的比例 。將各占空比下的扭矩和轉(zhuǎn)速分別與靜止?fàn)顟B(tài)的扭矩和轉(zhuǎn)速求差值并取絕對(duì)值，再乘以計(jì)算系數(shù)，即可得到各轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的扭矩和升力。表達(dá)式也可以是分段函數(shù)，這種情況下叫作樣條擬合。擬合的曲線一般可以用函數(shù)表 示。 該實(shí)驗(yàn)最終的目的是為了擬合出轉(zhuǎn)速與扭矩、轉(zhuǎn)速與升力之間的函數(shù)關(guān)系，通過利用 MATLAB 編寫曲線方程擬合程序，對(duì)各參數(shù)之間的函數(shù)方程式進(jìn)行擬合，曲線方程擬合程序見附錄 3。 同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠很好地采集并 記錄轉(zhuǎn)速、扭矩及升力各參數(shù)值，且裝卸簡單易行，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較接近真實(shí)情況，此次測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為成功。本文的 主要成果總結(jié)如下： 1) 詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)所采用的各個(gè)器材設(shè)備以及其測(cè)量原理。 4) 最后采用本次設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)旋翼進(jìn)行信號(hào)采集，并且利用數(shù)據(jù)分析軟件針對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)初步的分析，找出旋翼轉(zhuǎn)速與扭矩、轉(zhuǎn)速與升力之間的大致關(guān)系，利用 MATLAB 擬合出旋翼轉(zhuǎn)速與扭矩、轉(zhuǎn)速與升力的二次曲線方程，獲得了一定的實(shí)驗(yàn)成果。希望日后有時(shí)間的話，能夠繼續(xù)對(duì)該旋翼特性測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。 旋翼與法蘭底座連接，法蘭盤側(cè)端銑一個(gè)槽來卡住拉壓力傳感器，法蘭盤下有一有凹槽的凸臺(tái)，凹槽同扭矩傳感器連接，為防止旋翼升力導(dǎo)致的軸向滑移，在凸臺(tái)側(cè)打一個(gè)螺紋孔 ，加螺釘將扭矩傳感器的方形銷部位卡死，扭矩傳感器下端與法蘭盤緊固，下端的 S 型拉壓