旋翼飛行器旋翼特性測控系統(tǒng)開發(fā)

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1、摘 要 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(dòng)性好，控制靈活方便而廣泛應(yīng)用于很多軍、民用場合中?？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(duì)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(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(duì)于獨(dú)立開發(fā)系統(tǒng)將提供有益的經(jīng)驗(yàn)。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

2、，然后給出了整體的旋翼特性測試方案。 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。 在第三章中，根據(jù)所提出的測試方案，設(shè)計(jì)繪制了完整的測量裝置機(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。 在第四章中，針對(duì)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(shí)針對(duì)該程序進(jìn)行測試證明其可行性。 在第五章中，利用所設(shè)計(jì)出的旋翼特性測試系統(tǒng)對(duì)于測試裝置進(jìn)行組裝和連接，并且對(duì)旋翼各參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用采

3、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(duì)該測試方案提出一定的改進(jìn)意見。 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。 關(guān)鍵詞：旋翼特性；轉(zhuǎn)速；升力；扭矩；數(shù)據(jù)采集 Title: The Exploitation of Aerial Robot Rotor Features Control System ABSTRACT Aerial robot, because of its mobility and flexibility, is widely used in many milita

4、ry and civil occasions. The difficulty of aerial robot design and development is how to determine features of the robot's rotor more accurately, current methods for testing rotor features mostly using wind tunnel test, but due to the high cost of wind tunnel tests and high requirements for the e

5、xperimenter, it is difficult to be widely used. This topic aims to develop a rotor characteristic test device which is simple and easy to operate, mainly for testing lift, torque and speed characteristics of the rotor. This topic is a completely practical attempt from the functional requirements to

6、program design, to structure design, and to control system design, and it will provide useful experience for independent development of the system. First, the paper introduces the role of helicopter rotor and the research development at home and abroad, and thus explains the importance of monitori

7、ng and controlling rotor characteristics, and then gives the overall testing program of rotor characteristics. In the second chapter, it introduces the selected sensors, data acquisition module, program design, the selection of hardware and software of this graduation project. In the third chapter

8、, based on the proposed test program, designs to draw a complete mechanical assembly drawings and part drawings of measuring device, and elaborates mechanism design ideas and method of assembling, then builds three-dimensional model to check the machinability and operability of this device. In the

9、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 c

10、ollecte 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; Speed; Lift;

11、Torque; Data acquisition III 目 錄 目 錄 1 緒論 1 1.1 課題介紹 1 1.2 課題背景及意義 2 1.3 國內(nèi)外研究概況 2 1.3.1 國外研究概況 2 1.3.2 國內(nèi)研究概況 3 1.4 論文主要研究內(nèi)容 4 2 旋翼動(dòng)態(tài)特性測試方法 6 2.1 測量采用的各傳感器 6 2.1.1 轉(zhuǎn)速測量 6 2.1.2 扭矩測量 7 2.1.3 升力測量 9 2.2 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的硬件和軟件選擇 11 2.2.1 硬件部分——數(shù)據(jù)采集板卡 11 2.2.2 軟件部分——LabVIEW程序開發(fā)軟件 12 3 測試

12、實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 3.1 測試裝置整體裝配結(jié)構(gòu)構(gòu)想 14 3.2 測試裝置各待加工零件設(shè)計(jì)圖 15 3.2.1 旋翼底座 15 3.2.2 扭矩傳感器底座 16 3.2.3 拉壓力傳感器底座 17 3.2.4 測試裝置底盤 17 3.3 測試裝置所需各標(biāo)準(zhǔn)緊固零件 18 4 數(shù)據(jù)采集測試 20 4.1 USB-4711A數(shù)據(jù)采集測試 20 4.1.1 模擬量輸入采集測試 21 4.1.2 脈沖計(jì)數(shù)采集測試 23 4.2 旋翼特性測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集程序 24 5 旋翼動(dòng)態(tài)特性測試 26 5.1 原始數(shù)據(jù)的采集與處理 26 5.2 曲線方程擬合 28 6 結(jié)論

13、與展望 31 6.1 結(jié)論 31 6.2 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(jì)說明書 35 附錄3 MATLAB擬合曲線方程的程序代碼 36 致 謝 37 1 緒論 1 緒論 1.1 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(gè)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(dòng)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(shí)也是實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)最豐富的領(lǐng)

14、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(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。因此直升機(jī)旋翼對(duì)改進(jìn)直升機(jī)的性能有巨大的作用，對(duì)直升機(jī)的機(jī)動(dòng)性、操縱性、速度、振動(dòng)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(jì)開發(fā)的一個(gè)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

15、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。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(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(duì)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(duì)的研究對(duì)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1-1所示： 圖1-1 雙槳葉外轉(zhuǎn)子旋翼 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(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)特性的測量，所要完成的任務(wù)為針對(duì)該模型旋翼，設(shè)計(jì)一套測試其動(dòng)態(tài)特性的測量裝置，并對(duì)各參數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地采集

16、和分析，以統(tǒng)計(jì)出旋翼轉(zhuǎn)速和扭矩、轉(zhuǎn)速和升力之間的大致關(guān)系。 1.2 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(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。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。因此，目前世界各個(gè)國家都把對(duì)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(dòng)控制技術(shù)、復(fù)合材料的應(yīng)用、電子信

17、息新技術(shù)的應(yīng)用及總體設(shè)計(jì)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(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。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(duì)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(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)

18、其在工作狀態(tài)中的自身動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)特性進(jìn)行測量和統(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。 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。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(dòng)電機(jī)的扭矩來保持穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(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)與測試手段的提高。 1

19、.3 國內(nèi)外研究概況 1.3.1 國外研究概況 目前國外比較流行的旋翼是X-4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(shí)，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(shí)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

20、 a quad-rotor 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。該控制器是穩(wěn)定的板載嵌入式HC12控制器?？刂破鲝腃SIRO 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(duì)旋翼狀態(tài)的指揮遙測則是采用一個(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)。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。 1.3.2 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

21、，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(gè)領(lǐng)域，而對(duì)于其特性的測量，則主要集中在旋翼的軸載荷、擺幅、動(dòng)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(hào)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(shí)，此測試方法的效果就不會(huì)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(duì)軸拉力、扭矩、彎力

22、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“GSC4-SG-1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(duì)旋翼的動(dòng)態(tài)特性測試，我國于2000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)測量。但其不足之處在于可測量參數(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)。

23、該系統(tǒng)安裝在槳轂頂端，同旋翼一起旋轉(zhuǎn)，在各個(gè)槳葉上放置發(fā)光點(diǎn)，通過對(duì)發(fā)光點(diǎn)位置變化的檢測，來獲得各角的時(shí)間函數(shù)，同時(shí)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(dòng)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(duì)于軸載荷，目前更新的測試方法是采用KAM-500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(hào)調(diào)節(jié)模塊、總線監(jiān)測模塊、固態(tài)存儲(chǔ)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 V2.0，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。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)

24、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(shí)，所采用的是主從分布式的系統(tǒng)，在測試時(shí)，KAM-500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(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行波形整形，派生出同步信號(hào)，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(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和顯示。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。南京航空航天大學(xué)、中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所以及北京約克公司所發(fā)表的《KAM-500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(duì)于

25、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KAM-500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(duì)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(jì)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(gè)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(duì)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。通過檢測葉片穿越該光驅(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。但該系

26、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(shí)電路的定時(shí)誤差，但誤差不會(huì)太大。該系統(tǒng)基本符合測量要求。 1.4 論文主要研究內(nèi)容 本論文的主要研究內(nèi)容如下： 第1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2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。 第3章 介紹了測量裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計(jì)及所需各零部件以及零部件設(shè)計(jì)和選擇的考慮原因。 第4章 介紹了針對(duì)USB-4711A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5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(duì)采集到的

27、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(shí)利用MATLAB對(duì)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。 37 2 旋翼動(dòng)態(tài)特性測試方法 2 旋翼動(dòng)態(tài)特性測試方法 本課題所設(shè)計(jì)的測試系統(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。 2.1 測量采用的各傳感器 傳感器是目前測試領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的檢測裝置，它將檢測到的被測量信息

28、，進(jìn)行一定規(guī)律的變換，并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)或者其他所需要形式的信息進(jìn)行輸出，以滿足對(duì)于信息的采集、處理、控制等方面的要求。 對(duì)于傳感器的正確選擇，有利于測試系統(tǒng)的正常運(yùn)行以及數(shù)據(jù)的有效采集。 2.1.1 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。 接近傳感器是代替限位開關(guān)等接觸式檢測方式，以無需接觸檢測對(duì)象進(jìn)行檢測為目的的傳感器的總稱。它能夠?qū)z測對(duì)象的移動(dòng)信息和存在信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其成為電氣信號(hào)并進(jìn)行輸出。 接近傳感器的檢測原理是通過外部磁場的影響，一次來檢測在導(dǎo)體表面所產(chǎn)生的渦電流引起的磁性損耗。使檢測線圈內(nèi)產(chǎn)生交流磁場，并對(duì)金屬體所產(chǎn)生的渦電流引起的阻抗變化進(jìn)行檢測。

29、 此次對(duì)于轉(zhuǎn)速的測量所采用的接近傳感器的型號(hào)為ZJB-M1304NA，如圖2-1所示： 圖2-1 ZJB-M1304NA接近傳感器 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)定地固定在測量裝置的底盤上。 該接近傳感器能夠?qū)嚯x金屬進(jìn)行感應(yīng)并輸出脈沖信號(hào)，感應(yīng)距離范圍為0-3mm，響應(yīng)頻率為1kHz，電壓10-30VDC，電流200mA。安裝時(shí)將其固定在旋翼底座上，并在旋翼的某一葉片下端固定一個(gè)金屬塊，調(diào)整好金屬塊與傳感器的垂直距離，這樣，旋翼每旋轉(zhuǎn)一周，傳感器就會(huì)輸出一個(gè)脈

30、沖信號(hào)，通過統(tǒng)計(jì)在一定時(shí)間內(nèi)輸出的信號(hào)個(gè)數(shù)，就可以計(jì)算出旋翼的轉(zhuǎn)速，且測量精度也較高。 2.1.2 扭矩測量 針對(duì)扭矩的測量所采用的傳感器是扭矩傳感器。 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。扭矩傳感器是對(duì)各種旋轉(zhuǎn)或者非旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件上對(duì)扭轉(zhuǎn)力矩感知的檢測，它能夠?qū)⑴ちΦ奈锢碜兓D(zhuǎn)換成精確的電信號(hào)并進(jìn)行輸出，并且具有精度高、頻響快、可靠性好、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。 扭矩傳感器目前應(yīng)用較為廣泛的檢測手段是應(yīng)變電測技術(shù)，其原理是將專用的測扭矩應(yīng)變片粘貼在被測的彈性軸上，并連接組成應(yīng)變電橋，若向應(yīng)變電橋提供工作電源即可測試該彈性軸所受扭矩的電信號(hào)。 此次對(duì)于轉(zhuǎn)速的測

31、量所采用的扭矩傳感器的型號(hào)為WAN-5，適用于靜態(tài)、非連續(xù)旋轉(zhuǎn)的扭矩力值測量如圖2-3所示： 圖2-2 WAN-5型扭矩傳感器 該扭矩傳感器的尺寸如圖2-3所示： 圖2-3 WAN-5型扭矩傳感器尺寸圖 圖中所示各尺寸數(shù)據(jù)為，A=12.7mm，H1=55mm，H2=30mm，Ф1=59mm，Ф2=32mm，Ф3=45mm，Ф=6.5mm。 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。WAN-5扭矩傳感器的緊固方式，上端為方形銷緊固，在旋翼所連接的法蘭盤底座下方挖取一個(gè)與方形銷尺寸過盈配合的方形槽，即可實(shí)現(xiàn)銷連接，方形的銷有效避免了扭轉(zhuǎn)測試時(shí)容易

32、產(chǎn)生的相對(duì)滑移；傳感器下端為法蘭緊固，底部法蘭盤具有四個(gè)孔徑為6.5mm的環(huán)形陣列孔，下端放置一個(gè)尺寸匹配的法蘭盤底座，用螺栓對(duì)各孔進(jìn)行緊固，即可實(shí)現(xiàn)法蘭連接。該傳感器這種上端方形銷緊固，下端法蘭緊固的連接方式，能夠使其具有更好的穩(wěn)定性，同時(shí)在數(shù)據(jù)的采集、處理和輸出方面也具有更高的精確度。 WAN-5扭矩傳感器的技術(shù)指標(biāo)如表2-1所示： 表2-1 WAN-5扭矩傳感器技術(shù)指標(biāo) 量程范圍 (N·m) 0~5 綜合精度 (%F·S) 0.1 0.2 0.3（線性+滯后+重復(fù)性） 靈敏度 (mV/N.m) 1.0~1.5 蠕變 (%F·S/30min)

33、 ±0.05 零點(diǎn)輸出 (%F·S) ±1 零點(diǎn)溫度影響 (%F·S/10℃) ±0.05 輸出溫度影響 (%F·S/10℃) ±0.05 工作溫度 (℃) -20～+65 輸入阻抗 (Ω) 750±15Ω 輸出阻抗 (Ω) 700±5Ω 絕緣電阻 (MΩ) ≥5000 安全過載 (%F·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 2.1.3 升力測量

34、針對(duì)升力的測量所采用的傳感器是拉壓力傳感器。 拉壓力傳感器又稱作電阻應(yīng)變式傳感器，它屬于稱重傳感器系列，是一種將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測量的電信號(hào)并進(jìn)行輸出的裝置。目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)稱重系統(tǒng)、平臺(tái)秤、電子稱、吊鉤秤、配料秤等測力場合。 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(hào)進(jìn)行輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于拉壓力的測量。其優(yōu)點(diǎn)在于精度高、測量范圍廣、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、頻響特性好。 選擇拉壓力傳感器的原因在于旋翼在旋轉(zhuǎn)工作過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，其所產(chǎn)生的升力不足以提升下部的裝置重量，傳感器所承受的是壓力，升力等于傳感器上

35、端承載物重力減去輸出壓力；當(dāng)升力足夠大時(shí)，升力克服裝置重力，傳感器所承受的是拉力，升力等于傳感器上端承載物重力加上輸出拉力。拉壓力傳感器既能夠測量壓力，也能夠測量拉力，使用起來非常方便。 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。 本課題所采用的傳感器為S型拉壓力傳感器，型號(hào)為JLBS-V，JLBS-V傳感器采用懸臂剪切結(jié)構(gòu)，具有測量精度高、防塵好、安裝容易、使用方便等特點(diǎn)。廣泛用于各種電子汽車衡、單軌吊稱、料斗稱等。如圖2-4所示： 圖2-4 JLBS-V型拉力傳感器 該拉壓力傳感器的尺寸如圖2-5所示：

36、 圖2-5 JLBS-V型拉力傳感器尺寸圖 圖中所示各尺寸數(shù)據(jù)為，A=64mm，B=51mm，C=12.7mm，M=8×1.25mm，其中M為標(biāo)準(zhǔn)螺孔，用以同裝置進(jìn)行固接。 該傳感器所采用的緊固方式為螺紋緊固。對(duì)其上下兩端分別放置一個(gè)中心孔徑為8.8mm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量裝置內(nèi)了，同時(shí)也保證了測量的精度和準(zhǔn)確度。 NS-WL1型拉壓力傳感器的技術(shù)指標(biāo)如表2-2所示： 表2-2 S-WL1型拉壓力傳感器技術(shù)指標(biāo) 技術(shù)參

37、數(shù) 技術(shù)指標(biāo) 量程(kg) 1 綜合精度(%F·S) 0.03 靈敏度(mV /V) 2 ±0.1 蠕變(％F·S/30min) ±0.05 非線性(%F·S) ±0.03 滯后誤差(%F·S) ±0.03 重復(fù)性誤差(%F·S) ±0.02 零點(diǎn)溫度系數(shù)(%F·S/10℃) ±0.03 輸出溫度系數(shù)(%F·S/10℃) ±0.03 輸入阻抗(Ω) 700±15 輸出阻抗(Ω) 650±1

38、5 絕緣電阻(MΩ) ≥5000 工作溫度范圍(℃) -20～+70 允許過負(fù)荷(%F·S) 150 供橋電壓 建議10VDC（標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)12V、24V） 密封等級(jí) IP67 材質(zhì) 合金鋼(40CrNiMo) 傳感器接線說明 電源正：紅 電源負(fù)：綠 輸出正：黃 輸出負(fù)：白 2.2 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的硬件和軟件選擇 2.2.1 硬件部分——數(shù)據(jù)采集板卡 數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其他待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動(dòng)采非電量或者電量信號(hào)，送到上位機(jī)中進(jìn)行分析及處理。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(tái)的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)

39、現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。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、485、232、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)采集模塊是基于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊平臺(tái)的通信模塊，它將通信芯片、存儲(chǔ)芯片等集成在一塊電路板上，使其具有發(fā)送通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊平臺(tái)收發(fā)信息、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋? 數(shù)據(jù)采集模塊，絕大多數(shù)集中在采集模擬量、數(shù)字量、熱電阻、熱電偶，其中熱電阻可以認(rèn)為是非電量（其實(shí)本質(zhì)上還是要用電流驅(qū)動(dòng)來采集），其中模擬量采集卡和數(shù)字量采集卡用的是

40、最廣泛的。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/S-video)。 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。 本課題所采用的數(shù)據(jù)采集模塊是USB-4711A型便攜式數(shù)據(jù)采集模塊。如圖2-6所示： 圖2-6 USB-4711A型便攜式數(shù)據(jù)采集模塊 該模塊是完全的即插即用型數(shù)據(jù)采集模塊，通過USB端口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，無需打開計(jì)算機(jī)機(jī)箱來安裝板卡，僅需要插上模塊，便可

41、以采集到數(shù)據(jù)，它通過USB端口獲得所需的電源，無需外部的電源連接。 USB-4711A便攜式數(shù)據(jù)采集模塊的技術(shù)指標(biāo)如表2-3所示： 表2-3 USB-4711A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) ±10, 5, 2.5, 1.25, 0.625 V 頻道數(shù) 16 S.E./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 U

42、SB-4711A支持USB 2.0，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。具有方便攜帶安裝、高分辨率、高采樣率等特點(diǎn)。 2.2.2 軟件部分——LabVIEW程序開發(fā)軟件 本課題數(shù)據(jù)的采集分析所選取的軟件是LabVIEW程序開發(fā)軟件。 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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的

43、數(shù)據(jù)采集和一起控制軟件。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。 LabVIEW是一種真正意義上的圖形化編程語言，它采用工程技術(shù)人員所熟悉的術(shù)語和圖形化符號(hào)代替常規(guī)的文本語言編程，具有界面友好、操作簡便、開發(fā)周期短等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的仿真、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測量分析和數(shù)據(jù)顯示等方面，在各大公司、科研機(jī)構(gòu)日益普及，得到廣泛應(yīng)用，其自身也因此得到了迅速發(fā)展，功能不斷補(bǔ)充，現(xiàn)已發(fā)展至LabVIEW 2012版本。 LabVIEW

44、的主要特點(diǎn)可概括如下： ·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”。 ·內(nèi)置的程序編譯器，使運(yùn)行速度加快。 ·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)流上設(shè)置探針，加亮執(zhí)行。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。 ·LabVIEW提供了從底層VXI、GPIB、串口及數(shù)據(jù)采集板的控制子程序到大量的儀器驅(qū)動(dòng)程序，從基本的功能函數(shù)到高級(jí)分析庫，

45、涵蓋了已啟動(dòng)設(shè)計(jì)中幾乎所需要的函數(shù)。 ·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。 ·提供CLF(Call Library Function)功能和CIN(Code Interface Node)功能，可以直接調(diào)用其他軟件平臺(tái)編譯的模塊。 ·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。 使用LabVIEW對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊的信息進(jìn)行采集和分析，具有方便操作、簡單易行、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)。

46、 3 測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 測試裝置整體裝配結(jié)構(gòu)構(gòu)想 經(jīng)過對(duì)于傳感器的型號(hào)篩選和了解技術(shù)指標(biāo)各相關(guān)參數(shù)后，綜合旋翼自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、裝配和加工成本以及裝置測量穩(wěn)定性和有效性等各方面因素，最后提出的空中機(jī)器人旋翼特性測試系統(tǒng)的測試裝置部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖如下圖所示： 圖3-1 測試裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖 圖3-1中，各部分分別為：1-旋翼槳葉，2-金屬塊，3-接近傳感器，4-旋翼底座，5-緊固螺釘，6-扭矩傳感器底座，7-拉壓力傳感器底座，8-測量裝置底盤，9-外轉(zhuǎn)子旋翼，10-緊固螺栓，11-扭矩傳感器，12-緊固螺栓，13-緊固螺栓，14-

47、拉壓力傳感器，15-緊固螺釘，16-緊固螺栓，17-緊固螺栓。 從圖3-1由上往下依次觀察，一片旋翼槳葉的下側(cè)固定一個(gè)小金屬塊，同時(shí)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3-5mm范圍內(nèi)，即可采集轉(zhuǎn)速信號(hào)。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。拉壓力傳感器上下兩端分別用螺紋緊固連接兩個(gè)拉壓力傳感器底座，同時(shí)上下兩底座的環(huán)形孔陣列分別同扭矩傳感器底座以及裝置底盤進(jìn)行螺栓法蘭固接，整個(gè)裝置即安裝完成。 為了更直觀地觀察檢測裝置的可加工、可裝配性以及結(jié)構(gòu)

48、的穩(wěn)定性，另繪制了所設(shè)計(jì)的測試裝置三維模型，該測試裝置的裝配結(jié)構(gòu)三維模型效果如下圖所示： 圖3-2 測試裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)三維裝配體模型 為方便觀察裝配情況，部分零部件染色為半透明色，由圖3-2可以清晰直觀地看出各螺栓緊固、方形銷緊固、螺紋緊固的具體裝配情況。整個(gè)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。 3.2 測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)、檢測裝置底盤1個(gè)。各個(gè)零件的加工尺寸圖如下所述。 3.2.1 旋翼底座 旋翼底座部分的加工尺寸

49、圖如圖3-3所示： 圖3-3 旋翼底座加工尺寸圖 圖3-3所示的旋翼底座加工尺寸中，圓盤左側(cè)銑出的槽用以安置接近傳感器，Ф35的環(huán)形Ф3.3孔陣列同旋翼底部法蘭緊固，方形槽與扭矩傳感器的方形銷進(jìn)行過盈配合連接，考慮到旋翼的升力有可能會(huì)使銷與銷槽發(fā)生軸向滑移，在槽所在的圓柱凸臺(tái)一側(cè)加工一個(gè)M5的標(biāo)準(zhǔn)螺紋孔，裝配時(shí)旋入螺釘頂死方形銷，避免相對(duì)滑移的產(chǎn)生。 3.2.2 扭矩傳感器底座 扭矩傳感器底座部分的加工尺寸圖如圖3-4所示： 圖3-4 扭矩傳感器底座加工尺寸圖 圖3-4中Ф45的環(huán)形陣列Ф6.5孔與扭矩傳感器下端進(jìn)行螺栓法蘭固接，Ф80的環(huán)形Ф5.5孔陣列同拉壓力傳感器上端

50、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。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)。 3.2.3 拉壓力傳感器底座 拉壓力傳感器底座部分的加工尺寸圖如圖3-5所示： 圖3-5 拉壓力傳感器底座加工尺寸圖 圖3-5中Ф8.8的中心孔用以安置M8×1.25的普通螺釘同拉壓力傳感器進(jìn)行螺紋緊固連接，Ф80的環(huán)形Ф5.5孔陣列，拉壓力傳感器上端的底座同扭矩傳感器下端的底座進(jìn)行螺栓法蘭緊固，從而有效連接拉壓力傳感器和扭矩傳感器，拉壓力傳感器下端的底座同測試裝置底盤進(jìn)行螺栓法蘭緊固，從而有效連接拉壓力傳感器和測試裝置底盤

51、，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)。 3.2.4 測試裝置底盤 測試裝置底盤部分的加工尺寸圖如圖3-6所示： 圖3-6測試裝置底盤加工尺寸圖 圖3-6中Ф80的環(huán)形Ф5.5孔陣列同拉壓力傳感器下端的底座進(jìn)行螺栓法蘭緊固，從而有效連接測試裝置底盤和拉壓力傳感器，Ф110的環(huán)形Ф5.5孔陣列分別安裝M5的標(biāo)準(zhǔn)螺栓并調(diào)整好各螺釘高度，從而保證整個(gè)裝置底部的穩(wěn)定性以及平衡性。 3.3 測試裝置所需各標(biāo)準(zhǔn)緊固零件 旋翼動(dòng)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

52、栓緊固連接。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。 測試裝置裝配所需的國家標(biāo)準(zhǔn)零件件如表2-3所示： 表2-3 旋翼動(dòng)態(tài)特性測試裝置裝配所需標(biāo)準(zhǔn)零件 零件名稱 國標(biāo)編號(hào) 數(shù)量 六角頭螺栓 GB-5782-86-M3×16 4 六角頭螺母 GB-6170-86 M3 4 平墊圈 GB97.1-85 3-140HV 4 六角頭螺栓 GB-5782-86-M6×25 4 六角頭螺母 GB-6170-86 M6 4 平墊圈 GB97.1-85 6-140HV 4 六角頭

53、螺栓 GB-5782-86-M5×40 4 六角頭螺栓 GB-5782-86-M5×35 4 六角頭螺栓 GB-5782-86-M5×16 4 六角頭螺母 GB-6170-86 M5 12 平墊圈 GB97.1-85 5-140HV 12 開槽圓柱頭螺釘 GB65-85-M6×20 2 開槽圓柱頭螺釘 GB65-85-M5×6 1 4 數(shù)據(jù)采集測試 4 數(shù)據(jù)采集測試 4.1 USB-4711A數(shù)

54、據(jù)采集測試 本課題所采用的數(shù)據(jù)采集模塊是USB-4711A，針對(duì)該模塊，在第二章中已經(jīng)有所介紹，該模塊攜帶方便，且為USB直插直連，安裝簡單，因此選用該模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 在使用該數(shù)據(jù)采集模塊自帶的驅(qū)動(dòng)光盤對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的過程當(dāng)中，遇到了一些問題，電腦顯示USB-4711A已驅(qū)動(dòng)成功，但在Advantech Device Manager中卻無法添加USB-4711A數(shù)據(jù)采集模塊，經(jīng)過反復(fù)嘗試與查詢相關(guān)信息，發(fā)現(xiàn)問題在于USB-4711A同電腦的WINDOWS 7系統(tǒng)存在著一定的兼容問題，后將USB-4711A鏈接至WINDOWS XP系統(tǒng)的電腦當(dāng)中，問題即解決。 USB-4711A鏈接至

55、電腦并驅(qū)動(dòng)成功后，在Advantech Device Manager中添加USB-4711A，如圖4-1所示： 圖4-1 Advantech Device Manager 選擇USB-4711A，并單擊TEST對(duì)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4-2所示： 圖4-2 USB-4711A空載時(shí)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(duì)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(duì)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(duì)USB-4711A進(jìn)行連接并采集記錄數(shù)據(jù)采集模塊

56、所采集到的數(shù)據(jù)。 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。LabVIEW環(huán)境中開發(fā)的每個(gè)程序叫做一個(gè)Virtual Instrument（簡稱VI）。 用LabVIEW作為虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)最大的優(yōu)勢就是程序開發(fā)效率高，這主要是由于它提供了幾乎所有經(jīng)典的信號(hào)處理函數(shù)和大量現(xiàn)代的高級(jí)信號(hào)分析函數(shù)，這些函數(shù)用圖標(biāo)的方式提供給用戶；使用者采用圖標(biāo)與連線的方式，可以像畫電路板一樣編寫程序，非常形象直觀，又便于修改和移植。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。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，使

57、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。 4.1.1 模擬量輸入采集測試 在計(jì)算機(jī)上安裝并驅(qū)動(dòng)USB-4711A數(shù)據(jù)采集模塊后，在互聯(lián)網(wǎng)上下載研華公司自己編寫的數(shù)據(jù)采集模塊的LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序并安裝。打開LabVIEW操作面板后，選擇打開，選擇LabVIEW\examples\Advantech\AD_Soft.llb文件，打開ADSOFT.vi，ADSOFT.vi文件是研華公司針對(duì)LabVIEW采集USB-4711A數(shù)據(jù)采集模塊的模擬量輸入所編寫的程序文件，針對(duì)該文件的程序框圖進(jìn)行修改，將

58、采樣頻率設(shè)置為3ms，并增加一個(gè)數(shù)據(jù)的記錄模塊，將采集到的數(shù)據(jù)記錄在EXCEL文件中，修改后的程序框圖如圖4-3所示： 圖4-3 LabVIEW采集模擬量輸入程序框圖 該程序框圖的內(nèi)圈循環(huán)為采樣循環(huán)，外圈為數(shù)據(jù)記錄循環(huán)，框圖思路為首先提出數(shù)據(jù)采集模塊通道的選擇，而后針對(duì)通道內(nèi)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷并顯示，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)保存至EXCEL文件當(dāng)中，每隔3ms循環(huán)一次，即采樣頻率為3ms每次。 數(shù)據(jù)采集模塊鏈接一個(gè)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(shí)選擇對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模塊為USB-4711A,，采樣通道為0，以及輸入信號(hào)增益為+/-5V，LabVIEW即開始讀取數(shù)據(jù)采集模塊

59、所采集到的數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行記錄，采樣情況如圖4-4所示： 圖4-4 LabVIEW采集模擬量輸入前面板 傳感器靜止時(shí)，其所采集到的值大致分布在1.3V左右，當(dāng)傳感器發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)即發(fā)生變化，而當(dāng)USB-4711A空載時(shí)，所采集的數(shù)據(jù)就呈現(xiàn)一種隨機(jī)的狀態(tài)。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。 該程序框圖的不足之處在于只能同時(shí)采集并記錄一個(gè)模擬量輸入通道內(nèi)的數(shù)據(jù)，但設(shè)計(jì)的旋翼特性測試裝置則需要同時(shí)被采集三組輸入的數(shù)據(jù)，即轉(zhuǎn)速、扭矩、升力，其中，扭矩和升力屬于模擬量輸入，而轉(zhuǎn)速的采集屬

60、于脈沖計(jì)數(shù)輸入，因此對(duì)于該數(shù)據(jù)采集記錄程序框圖，還需做一定程度的完善和修改，以便于檢測裝置的三組數(shù)據(jù)被同時(shí)成功采集記錄及分析。 4.1.2 脈沖計(jì)數(shù)采集測試 打開LabVIEW操作面板后，選擇打開，選擇LabVIEW\examples\Advantech \Counter.llb文件，Counter文件是研華公司編寫的采集脈沖計(jì)數(shù)的程序，講采樣速率設(shè)定為3ms每次。通過參考研華公司設(shè)計(jì)的Counter.vi文件當(dāng)中的程序框圖，了解并學(xué)習(xí)針對(duì)脈沖計(jì)數(shù)的采集所采取的程序框圖構(gòu)建方法。由于設(shè)計(jì)的測量裝置針對(duì)轉(zhuǎn)速的測定原理為一定時(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定轉(zhuǎn)速的相關(guān)程序。C

61、ounter的程序框圖如圖4-5所示： 圖4-5 LabVIEW采集脈沖計(jì)數(shù)程序框圖 該程序針對(duì)采集器接收到的脈沖進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù)，發(fā)生一次脈沖即計(jì)一次數(shù)。將USB-4711A與脈沖信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行連接，將脈沖頻率設(shè)置為5Hz，運(yùn)行時(shí)選擇數(shù)據(jù)采集模塊為USB-4711A，采集的脈沖為高電平脈沖，程序即開始運(yùn)行。數(shù)據(jù)采集情況如圖4-6所示： 圖4-6 LabVIEW采集脈沖計(jì)數(shù)前面板 經(jīng)過10s的時(shí)間，Counts顯示的脈沖計(jì)數(shù)為50，即每秒鐘采集5個(gè)脈沖，而當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊空載時(shí)，采集脈沖數(shù)為0。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)Counter.v

62、i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。表明該計(jì)數(shù)程序運(yùn)轉(zhuǎn)正常，數(shù)據(jù)采集模塊的脈沖計(jì)數(shù)采集工作正常。 4.2 旋翼特性測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集程序 通過了解并學(xué)習(xí)ADSOFT.vi以及Counter.vi的程序框圖的編寫邏輯思路，同時(shí)參考LabVIEW程序設(shè)計(jì)相關(guān)的教程及書本，并向指導(dǎo)老師和學(xué)長進(jìn)行請(qǐng)教，針對(duì)設(shè)計(jì)的旋翼特性測試系統(tǒng)的測試原理以及機(jī)械裝置的自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并編寫了旋翼特性測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的LabVIEW程序，其程序框圖如圖4-7所示： 圖4-7 旋翼特性測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集程序框圖 該程序分三個(gè)部分，第一部分負(fù)責(zé)采集脈沖計(jì)數(shù)，即采集接近傳感器所發(fā)出的脈沖信號(hào)

63、數(shù)，第二和第三部分負(fù)責(zé)采集模擬量輸入，即分別采集扭矩傳感器以及拉壓力傳感器的模擬量信號(hào)。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(gè)LVM文件當(dāng)中，可以用EXCEL進(jìn)行打開并對(duì)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(duì)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。 針對(duì)編寫好的數(shù)據(jù)采集程序，將傳感器和電源以及USB-4711A數(shù)據(jù)采集模塊連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測試，測試結(jié)果如圖4-8所示： 圖4-8 旋翼特性測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集程序運(yùn)行測試情況 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)

64、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。 5 旋翼動(dòng)態(tài)特性測試 5 旋翼動(dòng)態(tài)特性測試 通過加工與組裝，最終成型的實(shí)驗(yàn)臺(tái)如下圖所示： 圖5-1 旋翼特性測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái) 圖中左側(cè)分別為扭矩傳感器和拉壓力傳感器的信號(hào)變送器，由于兩個(gè)傳感器的輸出量都是mV級(jí)，因此需要通過變送器來進(jìn)行信號(hào)的調(diào)理放大，兩個(gè)變送器輸出均為+/-5V，變送器和接近傳感器所接電源均為12V。接近傳感器固定于旋翼一側(cè)，考慮金屬塊在旋翼高速旋轉(zhuǎn)時(shí)易飛出，因此于旋翼一槳葉下側(cè)粘貼固定一片錫箔紙，質(zhì)輕易固定，利用接近開關(guān)對(duì)錫箔紙的感應(yīng)脈沖輸出來計(jì)算旋翼旋

65、轉(zhuǎn)圈數(shù)。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。 5.1 原始數(shù)據(jù)的采集與處理 本測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。本次試驗(yàn)當(dāng)中，占空比越大，旋翼轉(zhuǎn)速越小，但占空比最大不能超過97%，否則電機(jī)將停止旋轉(zhuǎn)，而占空比最小又不能超過91%，否則電機(jī)將因轉(zhuǎn)速過快而被燒壞。 因此，本次測試實(shí)驗(yàn)，通過分別控制占空比為92%、92.5%、93%、93.5%、94%、94.5%

66、、95%、95.5%、96%、96.5%控制轉(zhuǎn)速，包括靜止?fàn)顟B(tài)分別測試11種狀態(tài)時(shí)旋翼的轉(zhuǎn)速、扭矩及升力情況，采集到的原始數(shù)據(jù)分別記錄在EXCEL文件當(dāng)中便于數(shù)據(jù)的初步分析。 針對(duì)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(shí)間的處理，所得的數(shù)據(jù)情況表5-1所示： 表5-1 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 0.001 -4.580 92 173 -0.060 -2.560 92.5 163 -0.051 -2.872 93 150 -0.043 -3.124 93.5 140

67、 -0.037 -3.317 94 118 -0.031 -3.521 94.5 113 -0.026 -3.721 95 101 -0.020 -3.925 95.5 80 -0.013 -4.134 96 61 -0.007 -4.335 96.5 34 -0.001 -4.517 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，拉壓力傳感器的測量范圍為1kg，即9.8N，輸出為+/-5V，因此測量的升力計(jì)算系數(shù)為1.96N/V。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。 通過計(jì)算分析，得到的轉(zhuǎn)速、扭矩、升力數(shù)據(jù)如表5-2所示： 表5-2 旋翼轉(zhuǎn)速、扭矩、升力數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)速(r/s) 扭矩(N?m) 升力(N) 173 0.061 3.959 163 0.052 3.348 150 0.044 2.