旋翼飞行器旋翼特性测控系统开发

摘 要论文题目：空中机器人旋翼特性测控系统开发摘 要空中机器人因其机动性好，控制灵活方便而广泛应用于很多军、民用场合中。空中机器人设计开发的一个难点就是如何较准确地测定机器人的旋翼特性，目前用于测试旋翼特性的方法大都采用风洞试验，但由于风洞试验成本过高且对实验者要求高而难于广泛应用。本题目旨在开发出一种简单易操作的旋翼特性测试装置，主要用于旋翼升力、扭矩、转速特性的测试。本课题是从功能需求方案设计结构设计测控系统设计完整的实践尝试，对于独立开发系统将提供有益的经验。论文的主要工作包括：首先，介绍了直升机旋翼的作用以及国内外研究的发展状况，进而阐述了旋翼特性测控的重要性，然后给出了整体的旋翼特性测试方案。在第二章中，介绍了此次毕设课题所选用的传感器、数据采集模块、程序设计软件等所需软硬件及选择理由。在第三章中，根据所提出的测试方案，设计绘制了完整的测量装置机械装配图以及零件图，并且详细阐明了机械装置的设计思路以及装配方法，同时构建三维模型并且检查了装置的可加工性以及可装配性。在第四章中，针对所采用的数据采集模块进行程序测试，并且利用LabVIEW程序设计软件编写出了测试系统数据采集部分所需要的程序框图，同时针对该程序进行测试证明其可行性。在第五章中，利用所设计出的旋翼特性测试系统对于测试装置进行组装和连接，并且对旋翼各参数进行数据采集，利用采集到的原始数据进行数据分析，找出旋翼转速与升力、转速与扭矩之间的大致关系，最后针对该测试方案提出一定的改进意见。该系统具有良好的扩展性，便于以后系统的改进、推广和使用。关键词：旋翼特性；转速；升力；扭矩；数据采集Title: The Exploitation of Aerial Robot Rotor Features Control SystemABSTRACTAerial 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 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 experimenter, 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 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 monitoring 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, 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 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; Speed; Lift; Torque; Data acquisitionIII目 录目 录1 绪论11.1 课题介绍11.2 课题背景及意义21.3 国内外研究概况21.3.1 国外研究概况21.3.2 国内研究概况31.4 论文主要研究内容42 旋翼动态特性测试方法62.1 测量采用的各传感器62.1.1 转速测量62.1.2 扭矩测量72.1.3 升力测量92.2 数据采集分析系统的硬件和软件选择112.2.1 硬件部分数据采集板卡112.2.2 软件部分LabVIEW程序开发软件123 测试实验台机械结构设计143.1 测试装置整体装配结构构想143.2 测试装置各待加工零件设计图153.2.1 旋翼底座153.2.2 扭矩传感器底座163.2.3 拉压力传感器底座173.2.4 测试装置底盘173.3 测试装置所需各标准紧固零件184 数据采集测试204.1 USB-4711A数据采集测试204.1.1 模拟量输入采集测试214.1.2 脉冲计数采集测试234.2 旋翼特性测试系统数据采集程序245 旋翼动态特性测试265.1 原始数据的采集与处理265.2 曲线方程拟合286 结论与展望316.1 结论316.2 展望31参考文献33附 录34附录1 机械装置图34附录2 机械设计说明书35附录3 MATLAB拟合曲线方程的程序代码36致 谢371 绪论1 绪论1.1 课题介绍空中机器人又被称作无人机，是近年来被广泛研究的一个机器人领域，空中机器人由于其无人驾驶以及控制可操作性好，近来被广泛应用于军用以及民用领域，空中机器人也是目前科研活动领域当中最为活跃、技术进步最大、研究采购经费做多，同时也是实战经验最丰富的领域，目前无人机的发展方面，无论是技术水平还是其种类和数量，美国均居世界之首位。直升机本身的结构特点和使用条件、环境使得直升机事故率远高于固定翼飞机。直升机事故率高的主要原因，一方面是由于直升机自身特有的结构特点，旋翼和尾桨的交变载荷易导致直升机振动并产生疲劳破坏；另一方面，使用条件和使用环境恶劣也是直升机事故频发的重要原因。因此直升机旋翼对改进直升机的性能有巨大的作用，对直升机的机动性、操纵性、速度、振动水平、寿命、安全性及维护性等有着巨大的影响，因此世界各国都把直升机的旋翼技术当作直升机的关键技术来研制。空中机器人设计开发的一个难点就是如何较准确地测定机器人的旋翼特性，目前用于测试旋翼特性的方法大都采用风洞试验，但由于风洞试验成本过高且对实验者要求高而难于广泛应用。本题目旨在开发出一种简单易操作的旋翼特性测试装置，主要用于旋翼升力、扭矩、转速特性的测试。本课题是从功能需求方案设计结构设计测控系统设计完整的实践尝试，对于独立开发系统将提供有益的经验。本课题主要针对的研究对象是模型飞机适用的双桨叶外转子旋翼，旋翼结构如图1-1所示：图1-1 双桨叶外转子旋翼该旋翼的特点是结构简单，且应用较为广泛，研究的内容为旋翼的转速、电机扭矩、旋翼升力等动态旋转特性的测量，所要完成的任务为针对该模型旋翼，设计一套测试其动态特性的测量装置，并对各参数的数据进行有效地采集和分析，以统计出旋翼转速和扭矩、转速和升力之间的大致关系。1.2 课题背景及意义作为直升机的核心部件以及直升机的象征，直升机旋翼很好地解决了直升机操纵力和升力的问题。对于改进直升机的性能，直升机旋翼有巨大的作用，对直升机的操纵性、速度、振动水平、安全性、机动性、维护性及寿命等方面，具有着非常巨大的影响。有效地改进直升机的旋翼系统，有利于提高直升机的速度和机动性、稳定性、减少疲劳应力、降低噪声、避免共振。因此，目前世界各个国家都把对直升机旋翼的研究当作直升机的关键技术。近年来最引人注目的直升机新技术有旋翼新技术（包括桨叶以及桨毂）、新型反扭矩系统、振动控制技术、复合材料的应用、电子信息新技术的应用及总体设计新技术等。旋翼桨毂的改进和创新是直升机更新换代的重要标志之一。直升机具有长时间悬停、垂直起降、低空低速、机动灵活等特点，并且用途十分广泛。但是由于直升机本身所具有的结构特点以及使用环境，直升机的事故率比起固定翼飞机要高出很多，因此，一直以来，直升机的安全控制问题是人们密切关注和研究的内容。对于空中机器人的有效控制，能够更好地提高空中机器人的任务执行能力、飞行准确度以及自身结构的稳定性。因此在空中机器人的研究方面，如何更为准确有效地控制空中机器人高空作业及空中悬停就显得尤为重要，而这就在于针对空中机器人旋翼的有效控制进行研究，在空中机器人旋翼的控制方面，较为关键的是对其在工作状态中的自身动态旋转特性进行测量和统计，旋翼的动态旋转特性主要包括旋翼的转速、扭矩、旋翼所能够提供的升力等方面。空中机器人的旋翼部位是为其飞行时产生升力以及操纵力的核心部件。传统的空中机器人旋翼由连接到桨毅上的两片或是多片桨叶而组成，桨叶通常依靠来自于发动电机的扭矩来保持稳定的旋转运动。旋翼能够产生直升机飞行所必需的升力、拉力和操纵力，集多项功能于一身，另外，旋翼也是空中机器人的主振源。空中机器人的飞行性能、驾驶品质、振动、噪音水平、寿命及可靠性等问题的解决或改善，都不同程度地依赖于对旋翼系统的空气动力学特性和动力学特性的掌握，及旋翼设计分析方法、制造、试验与测试手段的提高。1.3 国内外研究概况1.3.1 国外研究概况目前国外比较流行的旋翼是X-4旋翼，X旋翼是美国西科斯基公司七十年代研究提出的一种新原理旋翼。这种旋翼一共具有4片桨叶，它既是旋翼，也是机翼。当直升机起飞、着陆和悬停时，这4片桨叶象直升机旋翼一样工作，直升机向前飞行时则被锁住，变成与机身成45度角的前掠和后掠固定机翼。4片桨叶是空心的，内有气室，桨叶前后缘都有喷气缝，可向外吹气，实现环量控制，以保持足够的升力。这种旋翼可避免后行桨叶的失速现象发生，旋翼的效率也比较高。在罗伯特·马奥尼、保罗·旁氏、彼得·库克所著Modelling and control of a quad-rotor robot当中，阐述了对于四旋翼机器人的控制和建模，所采用控制的办法是优化这些动态的机械设计来实现线性SISO解耦的动态控制。该控制器是稳定的板载嵌入式HC12控制器。控制器从CSIRO Eimu IMU读取态度提供角速度和加速度的测量位置和角位置，频率在50赫兹。该控制器输出到电机的转子速度参考CAN总线控制卡，频率也在50赫兹。对旋翼状态的指挥遥测则是采用一个远程蓝牙传输串口模块连接到一台笔记本电脑基站的Linux操作系统。蓝牙装置的范围可达至100米。从旋翼的遥测记录基站，并显示在屏幕上。1.3.2 国内研究概况空中机器人的旋翼是其自身的关键性部件之一，同时也是故障率较高的部件，对旋翼进行实时的监测则是保证空中机器人稳定安全飞行的重要手段之一。关于旋翼特性测试的研究，是目前国内广泛研究的一个领域，而对于其特性的测量，则主要集中在旋翼的轴载荷、摆幅、动态特性等方面。在旋翼系统轴载荷的测试方面，国内较为传统的测试方法是通过集流环将旋翼系统的旋转信号引出，然后通过有线传输的方式进入机舱或者是地面的实验室内部的数据采集系统，但该系统的问题在于，如果测试现场距离实验处的距离过长的话，或者是飞行实验中因为机械方面的原因而没有办法安装集流环时，此测试方法的效果就不会很理想，或者根本无法实施。以直11军民两用型直升机为例，针对轴拉力、扭矩、弯力以及弯矩的测试，中国飞行实验研究院曾经自行研制了“直11旋翼固态数据采集系统”以及“GSC4-SG-1直升机旋翼测试系统”，该系统成功地解决了变距拉杆的小应变，也解决了机舱与旋翼测试设备之间数据无法传输的问题。针对旋翼的动态特性测试，我国于2000年前后成功地研制出用于直升机的“XJC旋翼挥舞角、摆阵角激光动态测试系统，该系统利用了激光三角唯一传感器以及线阵CCD位移传感器，实现了对于挥舞角和摆阵角的动态测量。但其不足之处在于可测量参数少、三叉件结构对于飞行性的影响以及工作距离较短等方面，因此国内又研制了一套可以动态测量多片桨叶变距角、摆阵角、挥舞角、方位角以及多点挥舞应变的光电测试系统。该系统安装在桨毂顶端，同旋翼一起旋转，在各个桨叶上放置发光点，通过对发光点位置变化的检测，来获得各角的时间函数，同时在桨叶表面放置布拉格光栅传感器阵列，能够监测桨叶的动态挥舞应变。新研制的系统具有很多优点，例如可测量参数多、高精度、宽量程、抗干扰强等。对于轴载荷，目前更新的测试方法是采用KAM-500数据采集遥测系统，该系统具备各种功能模块，如信号调节模块、总线监测模块、固态存储及数据传输模块等。其先进的一体化系统软件包KSM V2.0，则可以满足在使用的时候各种需求，例如自动配置和校准、存储数据的同时在线对数据进行观察等。该系统所采用的是16位的A/D模拟数字变换，具有噪声低、精度高的数字滤波器，用以保证非常高的分辨率和测量精度。该系统应用于直升机主旋翼系统的载荷测试时，所采用的是主从分布式的系统，在测试时，KAM-500系统生成PCM串行数据流，经过发射机调试、天线发射接收、接收机的调节之后，送达到位同步器，同步器对数据流进行波形整形，派生出同步信号，然后通过电平转换，进入到主编码器然后完成合并数据流，合并的数据流经过光纤传输以及电平转换，送达计算机调节码，对于数据进行记录和显示。计算机通过局域网对数据进行记录、处理和分析，最后给出实验报告。南京航空航天大学、中国直升机设计研究所以及北京约克公司所发表的KAM-500数据采集遥测系统及在旋翼系统载荷测试中的应用表明，对于该系统的实验与应用发现，直升机旋翼的数据都能够被正常采集，数值和波形也都基本正确，该系统工作稳定且无异常出现，因此以KAM-500为核心的遥测系统是一套符合要求的机载设备，能够用于航空航天、国防科技以及民用领域。针对旋翼摆幅的测定，较成熟的是直升机旋翼红外测试系统，该系统的构成包括：红外光学系统、监测电路、计算机硬软件等。其测试原理是在直升机机首骨架上安装一个红外光源，向旋翼的旋转区域发射远红外光，经过旋翼上固定的反光片反射，由红外接收装置进行接收，并对它进行放大、解调之后送给计算机，由计算机进行运算。通过检测叶片穿越该光驱的时间，就能够计算得出叶片摆幅，同时也能够计算出转轴的转速。但该系统也存在一定的误差，最为主要的误差是红外接收装置的工作环境所引起的误差以及定时电路的定时误差，但误差不会太大。该系统基本符合测量要求。1.4 论文主要研究内容本论文的主要研究内容如下：第1章 介绍了本论文的选题背景、研究意义及国内外发展概况。第2章 介绍了研究所需传感器型号以及数据采集系统所需的硬件和软件。第3章 介绍了测量装置的机械结构装配设计及所需各零部件以及零部件设计和选择的考虑原因。 第4章 介绍了针对USB-4711A数据采集模块工作情况的程序测试以及旋翼特性测试系统程序的编写和运行。第5章 介绍了旋翼特性测试系统的组装运行以及数据采集情况，并且对采集到的初始数据进行分析，得出旋翼转速和升力、转速和扭矩之间的大致关系，同时利用MATLAB对数据进行二次曲线方程拟合，求出旋翼转速与升力、转速与扭矩的二次曲线函数方程式。372 旋翼动态特性测试方法2 旋翼动态特性测试方法本课题所设计的测试系统其主要分为实验台机械装置部分以及数据信号采集记录部分，本章着重介绍机械装置部分所采用的传感器以及数据采集部分所采用的硬件及软件两大部分内容。2.1 测量采用的各传感器传感器是目前测试领域广泛应用的检测装置，它将检测到的被测量信息，进行一定规律的变换，并转变为电信号或者其他所需要形式的信息进行输出，以满足对于信息的采集、处理、控制等方面的要求。对于传感器的正确选择，有利于测试系统的正常运行以及数据的有效采集。2.1.1 转速测量在转速的测量方面，所采用的传感器是接近传感器。接近传感器是代替限位开关等接触式检测方式，以无需接触检测对象进行检测为目的的传感器的总称。它能够将检测对象的移动信息和存在信息进行转换，使其成为电气信号并进行输出。接近传感器的检测原理是通过外部磁场的影响，一次来检测在导体表面所产生的涡电流引起的磁性损耗。使检测线圈内产生交流磁场，并对金属体所产生的涡电流引起的阻抗变化进行检测。此次对于转速的测量所采用的接近传感器的型号为ZJB-M1304NA，如图2-1所示：图2-1 ZJB-M1304NA接近传感器该传感器主体部分是一个底面直径为12mm，高为55mm的小圆柱体，圆柱回转面上刻有细牙螺纹，其上旋有两对配套的螺母和垫片，使接近传感器能够以卡接的方式稳定地固定在测量装置的底盘上。该接近传感器能够对近距离金属进行感应并输出脉冲信号，感应距离范围为0-3mm，响应频率为1kHz，电压10-30VDC，电流200mA。安装时将其固定在旋翼底座上，并在旋翼的某一叶片下端固定一个金属块，调整好金属块与传感器的垂直距离，这样，旋翼每旋转一周，传感器就会输出一个脉冲信号，通过统计在一定时间内输出的信号个数，就可以计算出旋翼的转速，且测量精度也较高。2.1.2 扭矩测量针对扭矩的测量所采用的传感器是扭矩传感器。扭矩传感器又称为扭力传感器、转矩传感器等，它可以被分为动态和静态两大类。扭矩传感器是对各种旋转或者非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测，它能够将扭力的物理变化转换成精确的电信号并进行输出，并且具有精度高、频响快、可靠性好、寿命长等优点。扭矩传感器目前应用较为广泛的检测手段是应变电测技术，其原理是将专用的测扭矩应变片粘贴在被测的弹性轴上，并连接组成应变电桥，若向应变电桥提供工作电源即可测试该弹性轴所受扭矩的电信号。此次对于转速的测量所采用的扭矩传感器的型号为WAN-5，适用于静态、非连续旋转的扭矩力值测量如图2-3所示：图2-2 WAN-5型扭矩传感器该扭矩传感器的尺寸如图2-3所示：图2-3 WAN-5型扭矩传感器尺寸图图中所示各尺寸数据为，A=12.7mm，H1=55mm，H2=30mm，1=59mm，2=32mm，3=45mm，=6.5mm。目前扭矩传感器所普遍采用的紧固方式有销紧固、法兰紧固、平键紧固、花键紧固等。WAN-5扭矩传感器的紧固方式，上端为方形销紧固，在旋翼所连接的法兰盘底座下方挖取一个与方形销尺寸过盈配合的方形槽，即可实现销连接，方形的销有效避免了扭转测试时容易产生的相对滑移；传感器下端为法兰紧固，底部法兰盘具有四个孔径为6.5mm的环形阵列孔，下端放置一个尺寸匹配的法兰盘底座，用螺栓对各孔进行紧固，即可实现法兰连接。该传感器这种上端方形销紧固，下端法兰紧固的连接方式，能够使其具有更好的稳定性，同时在数据的采集、处理和输出方面也具有更高的精确度。WAN-5扭矩传感器的技术指标如表2-1所示：表2-1 WAN-5扭矩传感器技术指标量程范围 (N·m)05综合精度 (%F·S)0.1 0.2 0.3（线性+滞后+重复性）灵敏度 (mV/N.m)1.01.5蠕变 (%F·S/30min)±0.05零点输出 (%F·S)±1零点温度影响 (%F·S/10)±0.05输出温度影响 (%F·S/10)±0.05工作温度 ()-20+65输入阻抗 ()750±15输出阻抗 ()700±5绝缘电阻 (M)5000安全过载 (%F·S)120供桥电压建议10VDC材质合金钢、不锈钢接线方式电源(+)红线 电源(-)黑线输出(+)绿线 输出(-)白线2.1.3 升力测量针对升力的测量所采用的传感器是拉压力传感器。拉压力传感器又称作电阻应变式传感器，它属于称重传感器系列，是一种将物理信号转换为可测量的电信号并进行输出的装置。目前广泛应用于工业称重系统、平台秤、电子称、吊钩秤、配料秤等测力场合。拉压力传感器的测量原理是以弹性体作为中介，通过力作用在贴在传感器内的电阻应变片，使其阻值发生变化，再经过相应的电路转换为电信号进行输出，从而实现对于拉压力的测量。其优点在于精度高、测量范围广、寿命长、结构简单、频响特性好。选择拉压力传感器的原因在于旋翼在旋转工作过程中，当转速较低时，其所产生的升力不足以提升下部的装置重量，传感器所承受的是压力，升力等于传感器上端承载物重力减去输出压力；当升力足够大时，升力克服装置重力，传感器所承受的是拉力，升力等于传感器上端承载物重力加上输出拉力。拉压力传感器既能够测量压力，也能够测量拉力，使用起来非常方便。拉压力传感器的类型较多，常见的主要有S型拉压力传感器、Z柱式拉压力传感器、L型高精度拉压力传感器、U型拉压力传感器等。本课题所采用的传感器为S型拉压力传感器，型号为JLBS-V，JLBS-V传感器采用悬臂剪切结构，具有测量精度高、防尘好、安装容易、使用方便等特点。广泛用于各种电子汽车衡、单轨吊称、料斗称等。如图2-4所示：图2-4 JLBS-V型拉力传感器该拉压力传感器的尺寸如图2-5所示：图2-5 JLBS-V型拉力传感器尺寸图图中所示各尺寸数据为，A=64mm，B=51mm，C=12.7mm，M=8×1.25mm，其中M为标准螺孔，用以同装置进行固接。该传感器所采用的紧固方式为螺纹紧固。对其上下两端分别放置一个中心孔径为8.8mm的圆盘，采用标准螺钉对传感器和底盘进行紧固连接，另外两个底盘设计环形法兰孔阵列，同扭矩传感器的底座以及整个装置的底座进行螺栓紧固连接，就能够很好地保证拉压力传感器紧固于测量装置内了，同时也保证了测量的精度和准确度。NS-WL1型拉压力传感器的技术指标如表2-2所示：表2-2 S-WL1型拉压力传感器技术指标技术参数技术指标量程(kg)1综合精度(%F·S)0.03 灵敏度(mV /V)2 ±0.1蠕变(F·S/30min)±0.05非线性(%F·S)±0.03滞后误差(%F·S)±0.03重复性误差(%F·S)±0.02零点温度系数(%F·S/10)±0.03输出温度系数(%F·S/10)±0.03输入阻抗()700±15输出阻抗()650±15绝缘电阻(M)5000工作温度范围()-20+70允许过负荷(%F·S)150供桥电压建议10VDC（标准信号12V、24V）密封等级IP67材质合金钢(40CrNiMo)传感器接线说明电源正：红 电源负：绿输出正：黄 输出负：白2.2 数据采集分析系统的硬件和软件选择2.2.1 硬件部分数据采集板卡数据采集(DAQ)，是指从传感器和其他待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析及处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。数据采集板卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PBI、PCI、PCI Express、火线(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太网，以及各种无线网络等总线接入计算机。数据采集模块是基于远程数据采集模块平台的通信模块，它将通信芯片、存储芯片等集成在一块电路板上，使其具有发送通过远程数据采集模块平台收发信息、数据传输等功能。数据采集模块，绝大多数集中在采集模拟量、数字量、热电阻、热电偶，其中热电阻可以认为是非电量（其实本质上还是要用电流驱动来采集），其中模拟量采集卡和数字量采集卡用的是最广泛的。目前市场上有一种二合一采集卡，二合一，指的是数字模拟采集卡，AV+DV采集卡，数字、模拟二合一，数字输入输出，模拟接口输入(DV/AV/S-video)。数据采集模块目前广泛应用于移动数据传输领域，包括车辆导航监控、智能抄表、远程数据采集等领域，尤其是在带宽要求比较高的多媒体传输领域，远程数据模块具有明显的带宽优势。本课题所采用的数据采集模块是USB-4711A型便携式数据采集模块。如图2-6所示：图2-6 USB-4711A型便携式数据采集模块该模块是完全的即插即用型数据采集模块，通过USB端口与计算机进行连接，无需打开计算机机箱来安装板卡，仅需要插上模块，便可以采集到数据，它通过USB端口获得所需的电源，无需外部的电源连接。USB-4711A便携式数据采集模块的技术指标如表2-3所示：表2-3 USB-4711A便携式数据采集模块技术指标模拟输入两极输入(V)±10, 5, 2.5, 1.25,0.625 V频道数16 S.E./8 Diff分辨率12 bits采样率150 kS/s单极输入(V)-模拟输出分辨率12 bits数字输入/输出数字输入频道数8数字输出频道数8定时器/计数器分辨率32 bits时间基准1 kHzUSB-4711A支持USB 2.0，具有便携设计以及总线供电的特点，具有16路模拟输入通道和12位的分辨率，其采样速率高达150kS/s，具有8路DI、8路DO、2路AO和1路32位计数器，带有接线端子，适合DIN导轨安装，其附带的锁紧式USB电缆用于紧固式连接。具有方便携带安装、高分辨率、高采样率等特点。2.2.2 软件部分LabVIEW程序开发软件本课题数据的采集分析所选取的软件是LabVIEW程序开发软件。LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器公司(NI)研制开发并推出的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境，被视为一个标准的数据采集和一起控制软件。它类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G代写程序，产生的程序是框图的形式。LabVIEW是一种真正意义上的图形化编程语言，它采用工程技术人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，具有界面友好、操作简便、开发周期短等特点，广泛应用于各个行业的仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等方面，在各大公司、科研机构日益普及，得到广泛应用，其自身也因此得到了迅速发展，功能不断补充，现已发展至LabVIEW 2012版本。LabVIEW的主要特点可概括如下：·图形化的仪器编程环境，它使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，使用大多数工程师多熟悉的数据流程图式的语言编写程序，被誉为“工程师和科学家的语言”。·内置的程序编译器，使运行速度加快。·灵活的程序调试手段，可以在源代码中设置断点，单步运行，在数据流上设置探针，加亮执行。其中最具特色的是“加亮执行”和“设置探针”，前者用于跟踪程序运行过程中的数据流，后者用于在程序运行过程中在线显示数据值。·LabVIEW提供了从底层VXI、GPIB、串口及数据采集板的控制子程序到大量的仪器驱动程序，从基本的功能函数到高级分析库，涵盖了已启动设计中几乎所需要的函数。·支持多种系统平台，平台之间的程序可以直接进行移植。·提供CLF(Call Library Function)功能和CIN(Code Interface Node)功能，可以直接调用其他软件平台编译的模块。·支持TCP/IP、DDE等功能此外，LabVIEW带有附加的软件包，如磁盘管理、自动测试、控制欲仿真、信号处理、图形获得与处理、数值分析工具等。使用LabVIEW对数据采集模块的信息进行采集和分析，具有方便操作、简单易行、准确度高等特点。3 测试实验台机械结构设计3 测试实验台机械结构设计3.1 测试装置整体装配结构构想经过对于传感器的型号筛选和了解技术指标各相关参数后，综合旋翼自身结构特点、装配和加工成本以及装置测量稳定性和有效性等各方面因素，最后提出的空中机器人旋翼特性测试系统的测试装置部分的机械结构装配图如下图所示：图3-1 测试装置机械结构装配图图3-1中，各部分分别为：1-旋翼桨叶，2-金属块，3-接近传感器，4-旋翼底座，5-紧固螺钉，6-扭矩传感器底座，7-拉压力传感器底座，8-测量装置底盘，9-外转子旋翼，10-紧固螺栓，11-扭矩传感器，12-紧固螺栓，13-紧固螺栓，14-拉压力传感器，15-紧固螺钉，16-紧固螺栓，17-紧固螺栓。从图3-1由上往下依次观察，一片旋翼桨叶的下侧固定一个小金属块，同时在旋翼所连接的底座一侧卡接安装上接近传感器，并调整好传感器感应端与小金属块的垂直距离在3-5mm范围内，即可采集转速信号。旋翼底座下侧拉伸一挖有方形凹槽的圆柱凸台，与扭矩传感器上端的方形销固接并形成过盈配合，扭矩传感器下端与扭矩传感器底座进行螺栓法兰固接。拉压力传感器上下两端分别用螺纹紧固连接两个拉压力传感器底座，同时上下两底座的环形孔阵列分别同扭矩传感器底座以及装置底盘进行螺栓法兰固接，整个装置即安装完成。为了更直观地观察检测装置的可加工、可装配性以及结构的稳定性，另绘制了所设计的测试装置三维模型，该测试装置的装配结构三维模型效果如下图所示：图3-2 测试装置机械结构三维装配体模型为方便观察装配情况，部分零部件染色为半透明色，由图3-2可以清晰直观地看出各螺栓紧固、方形销紧固、螺纹紧固的具体装配情况。整个装置稳定可靠，各零部件不存在干涉，且加工成本较低、拆装简便易行。3.2 测试装置各待加工零件设计图根据所设计的检测装置结构，不难发现，本课题所需要设计加工制造的零件分别有：旋翼底座1个、扭矩传感器底座1个、拉压力传感器底座2个、检测装置底盘1个。各个零件的加工尺寸图如下所述。3.2.1 旋翼底座旋翼底座部分的加工尺寸图如图3-3所示：图3-3 旋翼底座加工尺寸图图3-3所示的旋翼底座加工尺寸中，圆盘左侧铣出的槽用以安置接近传感器，35的环形3.3孔阵列同旋翼底部法兰紧固，方形槽与扭矩传感器的方形销进行过盈配合连接，考虑到旋翼的升力有可能会使销与销槽发生轴向滑移，在槽所在的圆柱凸台一侧加工一个M5的标准螺纹孔，装配时旋入螺钉顶死方形销，避免相对滑移的产生。3.2.2 扭矩传感器底座扭矩传感器底座部分的加工尺寸图如图3-4所示：图3-4 扭矩传感器底座加工尺寸图图3-4中45的环形阵列6.5孔与扭矩传感器下端进行螺栓法兰固接，80的环形5.5孔阵列同拉压力传感器上端的底座进行螺栓法兰紧固，从而有效连接扭矩传感器和拉压力传感器。为方便加工时的夹具紧固，在毛胚料的设计方面扭矩传感器底座增设一个20，H6的小凸台。3.2.3 拉压力传感器底座拉压力传感器底座部分的加工尺寸图如图3-5所示：图3-5 拉压力传感器底座加工尺寸图图3-5中8.8的中心孔用以安置M8×1.25的普通螺钉同拉压力传感器进行螺纹紧固连接，80的环形5.5孔阵列，拉压力传感器上端的底座同扭矩传感器下端的底座进行螺栓法兰紧固，从而有效连接拉压力传感器和扭矩传感器，拉压力传感器下端的底座同测试装置底盘进行螺栓法兰紧固，从而有效连接拉压力传感器和测试装置底盘，为方便加工时的夹具紧固，在毛胚料的设计方面扭矩传感器底座增设一个20，H6的小凸台。3.2.4 测试装置底盘测试装置底盘部分的加工尺寸图如图3-6所示：图3-6测试装置底盘加工尺寸图图3-6中80的环形5.5孔阵列同拉压力传感器下端的底座进行螺栓法兰紧固，从而有效连接测试装置底盘和拉压力传感器，110的环形5.5孔阵列分别安装M5的标准螺栓并调整好各螺钉高度，从而保证整个装置底部的稳定性以及平衡性。3.3 测试装置所需各标准紧固零件旋翼动态特性测试装置各零部件之间除扭矩传感器上端与旋翼底座下端的紧固连接方式为方形销连接外，其余各零部件的连接方式均为螺纹螺栓紧固连接。这些紧固方式所采取的螺钉、螺栓、螺母及垫片均采用国家标准件进行紧固连接，这样方便加工及有效装配。 测试装置装配所需的国家标准零件件如表2-3所示：表2-3 旋翼动态特性测试装置装配所需标准零件零件名称国标编号数量六角头螺栓GB-5782-86-M3×164六角头螺母GB-6170-86 M34平垫圈GB97.1-85 3-140HV4六角头螺栓GB-5782-86-M6×254六角头螺母GB-6170-86 M64平垫圈GB97.1-85 6-140HV4六角头螺栓GB-5782-86-M5×404六角头螺栓GB-5782-86-M5×354六角头螺栓GB-5782-86-M5×164六角头螺母GB-6170-86 M512平垫圈GB97.1-85 5-140HV12开槽圆柱头螺钉GB65-85-M6×202开槽圆柱头螺钉GB65-85-M5×614 数据采集测试4 数据采集测试4.1 USB-4711A数据采集测试 本课题所采用的数据采集模块是USB-4711A，针对该模块，在第二章中已经有所介绍，该模块携带方便，且为USB直插直连，安装简单，因此选用该模块进行数据采集。在使用该数据采集模块自带的驱动光盘对其进行驱动的过程当中，遇到了一些问题，电脑显示USB-4711A已驱动成功，但在Advantech Device Manager中却无法添加USB-4711A数据采集模块，经过反复尝试与查询相关信息，发现问题在于USB-4711A同电脑的WINDOWS 7系统存在着一定的兼容问题，后将USB-4711A链接至WINDOWS XP系统的电脑当中，问题即解决。USB-4711A链接至电脑并驱动成功后，在Advantech Device Manager中添加USB-4711A，如图4-1所示：图4-1 Advantech Device Manager选择USB-4711A，并单击TEST对其进行采样测试，由于数据采集模块并未链接任何的传感器，属于空载状态，因此其输出的采样结果是随机的，如图4-2所示：图4-2 USB-4711A空载时采样测试情况由于数据采集模块自带的数据采集测试在对数据进行采集的过程当中，只能显示当前的数据采集情况，而无法对所采集到的数据进行记录和分析，因此，该课题采用LabVIEW对USB-4711A进行连接并采集记录数据采集模块所采集到的数据。虚拟仪器应用程序的开发平台有很多种，但是目前最为流行的就是美国NI公司的LabVIEW。LabVIEW环境中开发的每个程序叫做一个Virtual Instrument（简称VI）。用LabVIEW作为虚拟仪器开发平台最大的优势就是程序开发效率高，这主要是由于它提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号分析函数，这些函数用图标的方式提供给用户；使用者采用图标与连线的方式，可以像画电路板一样编写程序，非常形象直观，又便于修改和移植。此外LabVIEW程序非常容易和各种数据采集硬件集成，还可以和多种主流的工业现场总线通信以及与大多数通用标准的数据库链接。根据经验，使用LabVIEW开发虚拟仪器比使用基于文本的语言开发效率提高大约10倍；同时LabVIEW在信号处理等方面的强大功能又远非组态软件可比。4.1.1 模拟量输入采集测试在计算机上安装并驱动USB-4711A数据采集模块后，在互联网上下载研华公司自己编写的数据采集模块的LabVIEW驱动程序并安装。打开LabVIEW操作面板后，选择打开，选择LabVIEWexamplesAdvantechAD_Soft.llb文件，打开ADSOFT.vi，ADSOFT.vi文件是研华公司针对LabVIEW采集USB-4711A数据采集模块的模拟量输入所编写的程序文件，针对该文件的程序框图进行修改，将采样频率设置为3ms，并增加一个数据的记录模块，将采集到的数据记录在EXCEL文件中，修改后的程序框图如图4-3所示：图4-3 LabVIEW采集模拟量输入程序框图该程序框图的内圈循环为采样循环，外圈为数据记录循环，框图思路为首先提出数据采集模块通道的选择，而后针对通道内输入的数据进行分析判断并显示，同时将采集到的数据保存至EXCEL文件当中，每隔3ms循环一次，即采样频率为3ms每次。数据采集模块链接一个角速度传感器进行模拟量数据采集的测试，开始运行时选择对应的数据采集模块为USB-4711A,，采样通道为0，以及输入信号增益为+/-5V，LabVIEW即开始读取数据采集模块所采集到的数据信息并进行记录，采样情况如图4-4所示：图4-4 LabVIEW采集模拟量输入前面板传感器静止时，其所采集到的值大致分布在1.3V左右，当传感器发生转动时，数据即发生变化，而当USB-4711A空载时，所采集的数据就呈现一种随机的状态。由此可看出，数据采集模块模拟量采集工作正常，能够很好地采集模拟量输入，同时编写的程序框图也能够保证对数据采集模块所采集到的模拟量进行记录分析。该程序框图的不足之处在于只能同时采集并记录一个模拟量输入通道内的数据，但设计的旋翼特性测试装置则需要同时被采集三组输入的数据，即转速、扭矩、升力，其中，扭矩和升力属于模拟量输入，而转速的采集属于脉冲计数输入，因此对于该数据采集记录程序框图，还需做一定程度的完善和修改，以便于检测装置的三组数据被同时成功采集记录及分析。4.1.2 脉冲计数采集测试打开LabVIEW操作面板后，选择打开，选择LabVIEWexamplesAdvantech Counter.llb文件，Counter文件是研华公司编写的采集脉冲计数的程序，讲采样速率设定为3ms每次。通过参考研华公司设计的Counter.vi文件当中的程序框图，了解并学习针对脉冲计数的采集所采取的程序框图构建方法。由于设计的测量装置针对转速的测定原理为一定时间内旋翼所转圈数的统计，因此可参考该程序以编写测定转速的相关程序。Counter的程序框图如图4-5所示：图4-5 LabVIEW采集脉冲计数程序框图该程序针对采集器接收到的脉冲进行循环计数，发生一次脉冲即计一次数。将USB-4711A与脉冲信号发生器进行连接，将脉冲频率设置为5Hz，运行时选择数据采集模块为USB-4711A，采集的脉冲为高电平脉冲，程序即开始运行。数据采集情况如图4-6所示：图4-6 LabVIEW采集脉冲计数前面板经过10s的时间，Counts显示的脉冲计数为50，即每秒钟采集5个脉冲，而当数据采集模块空载时，采集脉冲数为0。由此可看出，数据采集模块脉冲采集工作正常，能够很好地采集脉冲信号数，同时Counter.vi的程序框图也能够保证对数据采集模块所采集到的脉冲进行记录分析。表明该计数程序运转正常，数据采集模块的脉冲计数采集工作正常。4.2 旋翼特性测试系统数据采集程序通过了解并学习ADSOFT.vi以及Counter.vi的程序框图的编写逻辑思路，同时参考LabVIEW程序设计相关的教程及书本，并向指导老师和学长进行请教，针对设计的旋翼特性测试系统的测试原理以及机械装置的自身特点，设计并编写了旋翼特性测试系统数据采集的LabVIEW程序，其程序框图如图4-7所示：图4-7 旋翼特性测试系统数据采集程序框图该程序分三个部分，第一部分负责采集脉冲计数，即采集接近传感器所发出的脉冲信号数，第二和第三部分负责采集模拟量输入，即分别采集扭矩传感器以及拉压力传感器的模拟量信号。采样速率为每3ms采样一次，所采集到的数据分别记录在三个LVM文件当中，可以用EXCEL进行打开并对所采集到的样本做均值计算，然后统计不同电机转速下各参数值，并且对各参数之间的关系做回归分析，找出旋翼转速与扭矩、转速与升力之间的大致函数关系。针对编写好的数据采集程序，将传感器和电源以及USB-4711A数据采集模块连接，并进行数据采集测试，测试结果如图4-8所示：图4-8 旋翼特性测试系统数据采集程序运行测试情况从图中我们不难发现，该数据采集程序运行正常，能够很好地同时采集两个模拟量以及一个数字脉冲计数，可以用于采集旋翼的三个旋转特性。5 旋翼动态特性测试5 旋翼动态特性测试通过加工与组装，最终成型的实验台如下图所示：图5-1 旋翼特性测试系统实验台图中左侧分别为扭矩传感器和拉压力传感器的信号变送器，由于两个传感器的输出量都是mV级，因此需要通过变送器来进行信号的调理放大，两个变送器输出均为+/-5V，变送器和接近传感器所接电源均为12V。接近传感器固定于旋翼一侧，考虑金属块在旋翼高速旋转时易飞出，因此于旋翼一桨叶下侧粘贴固定一片锡箔纸，质轻易固定，利用接近开关对锡箔纸的感应脉冲输出来计算旋翼旋转圈数。传感器和变送器连接右侧的数据采集模块，数据采集模块通过USB接口连接电脑进行数据采集，旋翼连接转速控制系统，通过改变电机占空比，来改变旋翼转速，进而达到数据测试采集的目的。5.1 原始数据的采集与处理本测试通过改变占空比来改变旋翼转速，占空比又被称为占空度、占空因数，所谓占空比是指直流电机在一个通电与断电周期中其通电时间所占的比例。本次试验当中，占空比越大，旋翼转速越小，但占空比最大不能超过97%，否则电机将停止旋转，而占空比最小又不能超过91%，否则电机将因转速过快而被烧坏。因此，本次测试实验，通过分别控制占空比为92%、92.5%、93%、93.5%、94%、94.5%、95%、95.5%、96%、96.5%控制转速，包括静止状态分别测试11种状态时旋翼的转速、扭矩及升力情况，采集到的原始数据分别记录在EXCEL文件当中便于数据的初步分析。针对采集到的原始数据，扭矩和升力进行取均值、转速进行旋转圈数除以时间的处理，所得的数据情况表5-1所示：表5-1 测试原始数据的初步处理占空比转速(r/s)扭矩(V)升力(V)静止状态00.001-4.58092173-0.060-2.56092.5163-0.051-2.87293150-0.043-3.12493.5140-0.037-3.31794118-0.031-3.52194.5113-0.026-3.72195101-0.020-3.92595.580-0.013-4.1349661-0.007-4.33596.534-0.001-4.517扭矩传感器的测量范围为5Nm，输出为+/-5V，因此测量的扭矩计算系数为1Nm/V，拉压力传感器的测量范围为1kg，即9.8N，输出为+/-5V，因此测量的升力计算系数为1.96N/V。将各占空比下的扭矩和转速分别与静止状态的扭矩和转速求差值并取绝对值，再乘以计算系数，即可得到各转速状态下的扭矩和升力。通过计算分析，得到的转速、扭矩、升力数据如表5-2所示：表5-2 旋翼转速、扭矩、升力数据转速(r/s)扭矩(Nm)升力(N)1730.0613.9591630.0523.3481500.0442.