[發明專利]一個超微型旋翼俯仰運動推進性能的測試裝置

有效

• 申請號: 201611030137.7
• 申請日: 2016-11-15
• 公開（公告）號: CN106742049B
• 公開（公告）日: 2019-05-24
• 發明（設計）人: 劉振;卜宸;楊東;李冰霏;孫亞川
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B64F5/60
• 分類號: B64F5/60
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王萌

本發明提供了一種超微型旋翼俯仰運動推進性能的測試裝置，包括俯仰平臺，超微型旋翼固定連接在該俯仰平臺上，所述俯仰平臺上進一步連接有驅動超微型旋翼振動的驅動裝置以及檢測微型旋翼振動的壓電片，所述壓電片的一端固定在俯仰平臺上，另一端懸空且與微型旋翼固定連接，所述壓電片隨著微型旋翼的運動而一起運動。本發明可以驅動超微型尺度的(展長7.5cm內)旋翼進行俯仰運動，并在俯仰運動的同時測試該尺度旋翼的推進性能。

【技術領域】

本發明屬于一套完整驅動超微型旋翼進行俯仰運動，測試其轉速、力、力矩等推進性能的實驗裝置。

【背景技術】

由于超微型旋翼飛行雷諾數在20000以下，屬于極低雷諾數下的流動，此時慣性力作用減小，黏性力影響增大，易引發層流分離進而導致旋翼氣動性能急劇下降，超微型旋翼品質因數降低。目前微型旋翼飛行器多采用穩態空氣動力學理論設計的傳統螺旋槳，但由于超微型旋翼飛行器對能量效率要求很高，傳統的優化設計方法對超微型旋翼氣動特性和推進效率的提高有限。

目前旋翼的推進性能測試裝置一般由驅動系統、測量系統、信號采集處理系統、支撐系統四個部分組成。其中，驅動系統由電源、電機、調速系統等組成。為了得到穩定的轉速輸出，一般采用直流穩壓電源對電機、電調等轉動設備進行電力供給。對于微型旋翼，電機要求尺寸小、扭矩大，從而能產生高轉速。電調等轉速控制裝置也要求盡可能小的尺寸。測量系統是旋翼推進測試系統的關鍵，主要用于測試旋翼轉速、力、扭矩等推進參數。轉速測量一般采用光電測量，光電測量具有非接觸、精度高、響應快等優點。微型旋翼的力、扭矩量級很小，在一定誤差環境下需要采用高精度的傳感器才能準確測量。數據采集和處理系統分為兩個部分，一部分是對傳感器等測取的數據進行實時的采集和反饋，另一部分是對測取的大量數據進行處理，如電信號處理為對應的旋翼推進參數，以及提取有用的力、力矩等參數信息。支撐系輔助系統。旋翼、電機、電調、各類傳感器等多個微小精密器件需要一個合理的支撐安裝系統，同時可以調節零器件的位置，便于測試。

例如南京航空航天大學建立了一套微型旋翼的推進性能測試裝置，該裝置由旋翼驅動系統、底座、測量系統以及輔助系統組成。其中，驅動系統由直流電源、直流無刷電機及調速系統組成。驅動電機的電源選用6V的大容量直流鉛蓄電瓶，電機為KV4800內轉子無刷電機，功率為300W。采用PWM(Pulse-Width Modulation，脈寬調制)調節方式，通過改變PWM控制脈沖的占空比來調節輸入無刷直流電動機的平均直流電壓(線電壓)，以達到調速的目的。為了減小實驗過程中電源連線對測量的干擾，使用高強度漆包線制成的彈簧電線對電機供電。測速采用光電方法，在槳葉上安裝反光貼紙，當旋轉槳葉上的反光貼紙通過光電傳感器前時，光電傳感器的輸出就會跳變一次。通過測出這個跳變頻率，就可得到旋翼的轉速。測力系統包括而二分量天平及數據采集系統，其中二分量天平用于測量旋翼的拉力及扭矩，通過對天平輸出電壓信號的采集和處理，可以得到旋翼的拉力和扭矩；為了控制旋翼的位置和旋轉，加入了齒輪結構進行傳動，通過定位螺孔調節旋翼在電機上的位置。

然而，該裝置用于測試尺度在20cm以上的旋翼，尺度較大，若測試7.5cm槳葉誤差較大。

旋翼的俯仰運動目前國內外很少有這方面的研究，旋翼俯仰運動的概念源于撲翼飛行。目前國內外對微撲翼飛行器常采用壓電驅動、電磁驅動、形狀記憶合金驅動、人造肌肉驅動以及微馬達驅動等。從平臺的簡易性、驅動頻率高、可控性強等方面綜合考慮，壓電片作為旋翼的驅動結構是一種可行且被廣泛采用的方式。以壓電片作為驅動器運用到了壓電材料的逆壓電效應，即在壓電片的極化方向施加電場時，壓電片就會在一定方向產生機械變形或機械力。圖1所示為一個壓電雙晶片一端固支約束，當施加一個電場，由于逆壓電效應使上層壓電片縮短，下層壓電片伸長，則雙晶片整體結構產生彎曲效應。

馬里蘭大學建立了直徑22cm旋翼的扭轉運動裝置，該裝置利用壓電片的逆壓電效應，兩壓電片正交放置。當壓電片接通一定變化規律的壓電時，壓電片變形，帶動旋翼產生扭轉運動。通入電壓大小不同，扭轉角度不同，電壓正負不同，扭轉方向不同。旋翼的推進性能測試裝置與上文相近。