多旋翼飞行器螺旋桨升力特性测试实验系统

卢艳军， 张晓东， 纪鹏飞， 王振威

(沈阳航空航天大学 自动化学院， 沈阳 110136)

多旋翼飞行器螺旋桨升力特性测试实验系统

卢艳军， 张晓东， 纪鹏飞， 王振威

(沈阳航空航天大学 自动化学院， 沈阳 110136)

以多旋翼飞行器的螺旋桨系统为实验对象，开发了螺旋桨动力特性测试实验系统。系统由C8051F120单片机模拟手持遥控器发出PPM信号驱动和控制螺旋桨运转，借助杠杆机构由悬臂梁测力传感器采集升力信号，通过串行通信接口，由上位机进行数据显示、存储、分析和处理。上位机监控系统由Qt/QWT框架设计开发，支持跨平台应用，具备丰富数据分析与显示功能，可根据用户指令控制单片机系统运行，设定下位机采集参数，并实时处理接收数据。该系统可用于微小型螺旋桨系统动态和静态特性分析、建模与闭环控制系统设计，为测试与控制类专业学生开设综合性特色实验提供全新的实验平台，亦可用于旋翼机系统设计与分析。

多旋翼飞行器； 螺旋桨系统； 升力特性； 测试实验系统

0 引 言

多旋翼飞行器通过机体上呈对称分布的螺旋桨高速旋转产生升力和转动力矩来实现空中的各种运动。为保证系统响应特性的一致性，尽可能减小由于驱动系统特性差异对控制系统造成的附加扰动，装配前需对螺旋桨系统进行测试。同时，多旋翼飞行器在高速平飞和接近地面时，螺旋桨会产生桨叶挥舞以及近地效应等现象，升力也会发生变化[1-5]。目前，关于螺旋桨系统升力特性的研究很少。文献[6-10]通过升力和旋翼的转速测量，利用曲线拟合求得旋翼的升力系数。这些研究只简单考虑了两者之间的线性关系，实际上在低转速与高转速阶段，两者呈现出明显的非线性关系。相对于升力和转速之间的关系，建立升力与转速控制指令之间的关系对控制算法的设计更有意义。因此，本文设计一套测试系统，完成螺旋桨响应特性和升力曲线的实验，研究和验证螺旋桨系统在不同环境下的升力特性。

1 系统总体设计

多旋翼飞行器螺旋桨升力特性测试系统由机械及传感机构、下位机测控单元和上位机系统构成[11]，如图1所示。系统结构设计如图2所示。系统工作原理：

(1) 机械及传感机构。应用杠杆原理将螺旋桨产生的升力转换为向下的压力，并作用于悬臂梁测力称重传感器，产生与升力成比例的电信号。

(2) 下位机测控单元。由单片机系统和信号调理电路组成，完成对螺旋桨系统的启/停控制、速度驱动以及升力数据的实时高速采集，并通过串行通信上传至上位机系统。

(3) 上位机系统。上位机监控系统运行升力测试监控软件，能够控制测试系统的启动/停止、接收采样数据并进行实时曲线显示、采样数据归档及数据分析。此外传感器压力标定以及电调油门校准功能也集成在上位机软件。

图1 系统组成结构图

图2 螺旋桨系统升力测试系统结构设计示意图

2 系统软硬件设计

2.1 单片机测控系统

根据系统的功能要求，采用C8051F120单片机芯片，该芯片是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片。单片机测控系统结构如图3所示。

图3 单片机测控系统结构

单片机测控系统软件采用前后台模式，由主循环模块和3个中断服务程序组成，其中：PCA0 ISR负责产生设定频率的PWM信号，通过IO端口输出；ADC ISR用于采集压力传感器数据；USART1 ISR用于同上位机通信，上传采集数据和采集参数，接收上位机设定参数和运行指令。3个中断优先级设定根据实时采集优先原则，设置为PCA0最高，ADC转换结束其次，串行通信最低。主循环模块承担命令/参数解析，启停控制，参数设置，串行通信以及采集数据集中传送等功能。软件系统结构如图4所示。

图4 单片机软件结构

2.2 传感器信号放大电路

系统设计了两级放大电路，将悬臂梁式测力传感器输出信号(0～50 mV)放大到符合 AD转换器输入范围(0～3.3 V)。传感器输出的模拟电压信号先由仪表放大器INA126PA进行放大，再通过一级同相放大电路对信号进行放大，电路如图5所示。

图5 传感器信号放大电路

2.3 模拟遥控器PPM信号输出

无线遥控器指令1帧PPM信号长度为20 ms，每个通道信号脉宽0～2 ms，变化范围为1～2 ms，信号波形如图6所示。PWM输出模拟无线遥控器油门指令信号，占空比范围5%～10%，占空比5%对应油门最低值；10%对应油门最高值。设定PCA高速输出模式，产生占空比可调的PWM信号。PWM信号占空比参数由上位机设定，由测控单元缓存于PWM 占空比缓冲区。

图6 无线遥控器PPM信号波形

2.4 串行通信协议

系统采用中断方式进行数据收发[12]，后台程序与中断服务程序之间设计接收缓冲区和发送缓冲区。由于监控程序与测控单元要进行指令和数据的双向传递，故系统设计了串行通信协议。数据帧借鉴了PPP点对点通信协议的封装格式，帧格式如图7所示。

图7 数据通信帧格式

采用7EH作为1帧的开始标志，FFH作为1帧的结束标志；指令码为系统定义，如00H为查询状态，01H为启动采集，02H为停止采集等等。数据1～4为传送的数据内容，可以为转速设定值、压力采样值、PWM 占空比等。若信息域中出现7EH，则转换为(7DH，5EH)2个字符；当信息域出现7DH时，则转换为(7DH，5DH)。

3 PC机监控系统设计

监控系统采用了跨平台特性的Qt应用程序框架，良好封装机制使Qt模块化程度高、重用性好，具有丰富的API资源，独特的信号和槽机制为对象间消息传递提供了安全整洁的方式。根据系统功能需求，系统设计了螺旋桨系统控制模块、电调校准模块、压力标定模块、通信模块、图形显示模块、数据管理模块、数据分析与处理模块以及系统配置模块，软件系统功能结构如图8所示。

图8 系统软件功能结构图

3.1 基于有限状态机模型软件建模

有限状态自动机 (Finite State Machine，FSM)是表示有限多个状态以及在这些状态之间转移和动作的数学模型。目前FSM已经是软件系统设计的核心模式之一。根据该测试系统的特点，本软件设计采用FSM，根据系统应用逻辑将系统规划为不同的状态表示，根据事件(传感信号和用户控制)驱动状态切换。该建模方法对于测控系统的开发非常有效。通过有限状态机把程序操作事件和应用界面联系起来，实现目标-动作行为模式完成人机交互的过程。鉴于篇幅，这里给出了有限状态机顶层状态模型，如图9所示。其中数据分析与处理作为另一主要功能模块，留作扩展开发。

图9 FSM模型顶层状态变迁图

3.2 界面设计与图形显示

软件界面采用左侧功能树，右侧应用操作页面的结构，以满足测试系统操作逻辑较为复杂和功能多的要求。考虑到采集过程与数据分析处理过程的不同，左侧功能树设计Tab标签页结构，便于扩展。采集过程标签页包括“串口通信”“标定校准”“配置”“PWM手动设定”“PWM自动设定”“采集控制”以及“数据保存”二级菜单项，各二级菜单项下再分别设置功能项。各功能项的使能与失能由有限状态机FSM模型控制，避免越序操作。各输入项均配置正则表达式进行输入参数的过滤，避免参数超限失效。

数据的图形显示采用QWT(Qt Widgets for Technical Applications)开源程序包，方便实现各种功能丰富的图形显示功能。本软件升力数据实时曲线显示模式采用示波器模式，曲线由左至右滚动显示，开发了多级放大功能，支持鼠标选择放大区域，多级放大，便于数据细节的观察与分析。横纵坐标轴设置滚动轮，支持坐标轴范围的动态调节，实现坐标轴动态缩放。

4 系统测试分析

螺旋桨系统升力测试系统安装22.86 cm(9吋普通碳桨，1 MV直流无刷电机，好赢20 A电调，构成一套动力系统，预估最大升力为3 kgf。采用BK-5 悬臂梁测力称重传感器。在开始测试之前，已完成压力传感器的校验和电调校准过程。

为验证该系统的可行性，在该系统上完成了以下两个项目的测试工作[13-15]。

(1) 测试项目1。采集信号的滤波与分析。

①信号采集与滤波。给定一个转速，采集得到的螺旋桨升力信号如图10所示。可见信号中含有高频噪声，分析可知，该噪声由螺旋桨系统高速旋转与气流的相互作用产生。图11为在传感器放大电路增加巴特沃斯型二阶低通模拟滤波器(LPF)滤掉高频噪声后的效果。

图10 螺旋桨升力信号(含高频噪声)

图11 螺旋桨升力信号(经过低通滤波)

②滤波后信号响应分析。 经过低通滤波处理后，信号的高频噪声被去除，但由于低频噪声的动态特性具有较大的惯性，使得滤波处理后信号出现畸变。图12为转速阶跃输入后螺旋桨升力信号的响应过程，图13为经过低通滤波后的响应曲线。明显看出，滤波环节使得响应过程变得缓慢，上升时间明显延长。

图12 转速阶跃输入后螺旋桨升力信号的响应过程(无滤波)

图13 转速阶跃输入后螺旋桨升力信号的响应过程(经过低通滤波)

分析可知：要设计更加高效的数字低通滤波器才能有效解决低通滤波与响应畸变的问题。

(2) 测试项目2。转速持续线性增加时螺旋桨系统升力特性。

单片机系统采用16位PWM输出，十进制整数3 276～6 553对应5%～10%占空比变化范围，测试中，每个PPM周期(20 ms)，整数从3 276加1，持续增加到6 553。可见，转速增加过程缓慢，测得的升力数据可以看作是静态数据。升力曲线如图14所示，图中蓝色线为PWM占空比；红色线为螺旋桨升力曲线。PWM占空比从5%持续增加，直到5.30%，即图中S点电机才开始低速旋转，这之间表现为响应死区。整体上看，升力曲线表现为一个S型曲线，即初始段(AA′—BB′)和末段(CC′之后)呈现饱和状态，只有中间段(BB′—CC′)呈现线性关系，即螺旋桨升力L∝PWM占空比。

图14 转速持续线性增加时螺旋桨升力曲线

5 结 语

螺旋桨系统是旋翼机的动力系统，其升力特性是旋翼机设计与控制必须认真考虑的重要因素。该升力特性测试系统能够实现不同规格螺旋桨系统的升力特性测试，并对测试结果进行对比分析，为特性建模以及多旋翼系统设计提供基础数据；同时，利用该系统可以研究不同速度的侧向气流对螺旋桨升力特性的影响，并在此基础上完成螺旋桨系统闭环控制系统设计，以提高螺旋桨系统的响应速度和准确性。系统已获得国家实用新型专利授权。实际测试表明，该系统能够测试螺旋桨系统升力的静态和动态响应特性，系统响应灵敏，测试精度高。且该系统可为测试与控制类专业学生开设综合性特色实验提供全新的实验平台。

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Experimental System for the Propeller Thrust Characteristics of Multi-Rotor Aircraft

LUYan-jun,ZHANGXiao-dong,JIPeng-fei,WANGZhen-wei

(School of Automation, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China)

An experimental system is designed and developed to test the thrust characteristics of the propeller of a multi-rotor aircraft. A remote control simulated by a C8051F120 MCU gives PPM signal to drive and control the propeller system, and then the thrust signal collected by a cantilever force cell by means of a set of mechanism like a lever is sent by serial communication to a PC monitor system for display, store, analysis and treatment. The monitor system on PC, which provides plenty of such functions as data analysis, display and logging，may manipulate the operation of the field MCU according to the instruction of user, set parameters to the MCU, and real-time deal the data received. The system could be used for the analysis of dynamical and steady behavior, modelling and control system design of the small or micro propeller propulsion system, and act as a teaching platform for setting up the general and distinct experiments for the measurement and control specialty students，or as an experimental system for design of a rotorcraft.

multi-rotor craft; propeller system; thrust characteristics; test experimental system

2016-04-14

辽宁省自然科学基金项目(2015020093);辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目(辽教发[2016]23号)；辽宁省教育科学“十二五”规划项目(JG14DB327)

卢艳军(1968-)，女，辽宁义县人，副教授，硕士生导师，主要研究方向为飞行器自主控制技术和系统测试技术。

Tel.:024-89726300；E-mail.:sylyj2004@126.com

张晓东(1971-)，男，辽宁朝阳人，副教授，研究方向为实时嵌入式系统和飞行器测控技术。

E-mail: zhangxiaodong@sau.edu.cn

TP 206+.1

A

1006-7167(2017)01-0069-04