分析多旋翼的原理，探讨它与无人驾驶技术之间，存在怎样的关系？

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文|焉子看世界

编辑|焉子看世界

前言

多旋翼在创新和更灵活的机动性布局中变得越来越重要，在此框架下，开发符合这类应用的严格尺寸要求的飞机的一种可能的解决方案是共轴旋翼构型。

为了探索与同轴转子相关的几种可能性，设计了一个比例实验模型来评估对转螺旋桨系统的性能，特别是关于两个螺旋桨之间的距离。推力和噪声都被认为是感兴趣的参数。

部署了两个无刷电机，而螺旋桨的角速度(以每分钟转数(rpm)表示)由外部控制系统控制。测试在两个单独的螺旋桨和反向旋转系统上进行:两个螺旋桨和它们各自的马达的特征在于推力。

多旋翼无人机的设计原理是什么？存在哪些优缺点？

实验装置:从概念到实现

基于改变两个螺旋桨之间的距离以及评估它们相对于地面的最佳位置的可能性，设计了专用的测试设施。该结构旨在放置称重传感器采集系统、角速度控制器和两条独立线路的电源所需的所有电子设备。

更详细地说，试验设备的设计采用了一种金属搁架装置，该搁架装置带有由水平搁架的重量稳定的悬臂支架。采用一些角支撑，垂直于地面的垂直分量，允许螺旋桨轴向运动和对中。

悬臂架的位置可以通过选择结构外部部件上的多个位置中的一个来修改:通过应用该逻辑，可以通过分别改变悬臂部件的位置和轴向臂的位置来以粗略和精确的方式调节螺旋桨之间的距离。

支撑结构由一个悬臂架组成，该悬臂架由4个单侧立柱、4800 mm的臂以及帽和销等附件组成。两根垂直杆用于支撑发动机、测压元件和螺旋桨。具体来说，使用了一对60 × 60 mm的铝L形杆(带10° B型槽，长1300 mm)和一对60 × 60 mm的铝L形杆(带10° B型槽，长750 mm)。

需要注意的是，蓝臂可以垂直滑动，以达到距离地面的适当距离以及两个螺旋桨之间的适当间距。通过改变悬臂的位置，可以进行粗调。通过用开口销固定的刚性销来保证臂的正确放置。能够提供螺旋桨粗略位置微调的整体结构。

为了更精确地分离，两个水平支架被放置在悬臂上，并用两个角形连接杆固定在水平支架上。

增加了另一组两个附加部件，以确保螺旋桨的轴向居中。该系统最关键的组件是垂直活动臂，它是通过将带槽组件与50千克的牵引和压缩称重传感器以及直接与电动机连接的金属接口集成在一起而实现的。测压元件通过3D打印组件居中，其中调节了M6螺纹杆。

因此，整个系统由前面列出的所有机械部件以及一个刚性安装在T型电机支架上的无刷电机组成。电子系统是实验装置的重要组成部分。

值得注意的是，集成了几个不同的子系统来控制螺旋桨，允许螺旋桨的角速度修改，测量螺旋桨产生的推力，并评估整个系统产生的噪声。为了更好地描述电子器件的特性，每一个元件都分别描述了其软件和硬件含义。

实验测试的主要目的之一是评估作为螺旋桨本身角速度的函数的螺旋桨推力。为了完成这项任务，我们开发了一个转速控制系统，为两条独立的生产线提供良好的控制。控制系统的主要范围包括T型电机的供应、与手持控制器提供的目标值相关的角速度调节，以及目标值和实际值的可视化。

控制系统对两个螺旋桨的转速实施闭环逻辑:两个独立的脉冲波调制(PWM)信号发生器，该信号随后被馈送到两个电子速度控制器(ESC)。

电子悬架控制调节电机的电源，从而调节电机本身的角速度。角速度的实际值用磁性霍尔传感器测量；编程的rpm值和实际值之间的差然后由校正控制器计算，该校正控制器施加加速/减速直到角速度稳定。

部署了两台400 kV规格的无刷T型电机来提供螺旋桨的运动。这种电机特别适用于无人机应用，因为它可以提供良好的推力，而不会影响其重量(53克)。这种电机专门用于15-18螺旋桨，其内阻为452mω，最大持续功率为216 W <25>.

50公斤双向称重传感器由铝制s形称重传感器组成；它设计用于牵引和压缩负载。电源电压范围为9–12V，其标称灵敏度为2.0±0.1mV/V。

据报道，该电池特别适用于悬挂负载。由于工作范围，信号数字化仪是必要的:使用外部信号源提供的HX711板<26>.这款精密24位模数转换器设计用于电子秤，广泛应用于工业应用，具有两个差分输入通道和一个有源低噪声PGA，可选增益为32、64和128。

由于工作电源电压范围为2.6–5.5V，因此可以通过myRIO-1900输出端口轻松馈电。该组件直接与myRIO-1900接口，并提供数据和时钟测量。

称重传感器采集系统的软件部分也进行了开发。编程环境选择是LabVIEW。与数字化仪的接口最初是为Arduino应用程序设计的，myRIO和控制面板用于轻松管理数据采集。

试验结果

在隔离和耦合运行的情况下，对两个螺旋桨的性能进行了实验评估。此外，还进行了噪声表征。研究是在不同的角速度下进行的。本节总结了隔离和耦合条件下推力和噪声特性的结果。

在进行双螺旋桨系统之前，通过一次只考虑一个主动螺旋桨来进行孤立螺旋桨推力表征。获得的结果用于实现XROTOR数值模型。

T-马达和T-马达+螺旋桨以相同的角速度运行，这两项试验都是通过测量从达到稳定状态开始的30秒内螺旋桨产生的推力进行的。注意，从控制器逻辑的角度来看，当螺旋桨的实际速度与目标速度60 rpm一致时，达到了稳态条件。这种情况被称为调速器锁定正常情况。

试验设备被安排成将螺旋桨放置在彼此相距1.5D的位置，并且与支撑水平臂相距1D距离。孤立螺旋桨条件的测试设置，孤立螺旋桨假设通过一次只考虑一个主动螺旋桨来实现。

设置了一个简单的采集程序，以确保测试活动具有适当的可重复性。从锁定状态(稳定状态)开始，每次采集持续30秒。为了突出数据集的实验特征并提供与XROTOR数值结果的比较，选择了误差条形图。

在低转速下，独立的下螺旋桨曲线和独立的上螺旋桨曲线在平均推力值方面表现出略微不同的性能。这种现象可能是由于空气动力学的原因。

从空气动力学和几何学的角度来看，这两个螺旋桨应该是相同的。区别在于两个螺旋桨的相对布置。在上部螺旋桨的情况下，支撑位于螺旋桨的顶部，并且其尾流没有障碍物。在下螺旋桨的情况下，支柱位于圆盘的底部，导致尾流区的扰动。

一个不可告人的动机是由于下部螺旋桨对上部螺旋桨造成的局部地面效应。

两个螺旋桨之间的距离很小，不足以产生地面效应28,29,30,31>.对于某些角速度，由于上部螺旋桨尾流引起的涡流效应，下部螺旋桨也旋转，这导致了降落伞效应，类似于直升机在自转阶段的特征，在这种情况下，产生的地面效应甚至更大。

还需要强调的是，由于支撑垂直臂的第一次共振，两个螺旋桨在1020-1500 rpm的范围内不可能进行测量；另一个更严重的共振是在1900-2820转/分的范围内对上螺旋桨进行检测。

这个问题是由对中框架的横向运动引起的，该横向运动是由上部螺旋桨运动产生的压缩载荷触发的。与这种共振相对应，螺纹连接杆的旋转运动导致扭矩施加在测压元件上。测压元件的运动决定了测压元件-数字化仪接口的电子配置的改变，这导致零参考损耗。

为避免此类问题，已决定在高达1900 rpm的转速下进行测试，断开系统，检查零参考值中可能的不符合性，并重新开始测试。

避免了第二共振范围，直接将系统从0加速到2820 rpm角速度:这种方法已经显示出良好的结果，因为一旦测试被中断，对零值和参考值执行的质量控制已经被证明与共振前和共振后的推力值一致。

从声学角度对该系统进行了描述，以了解螺旋桨和T型发动机的作用，并突出不同角速度值的频率成分。

已经测试了两种配置:T-马达(马达在没有推进器的情况下运行)和T-马达+推进器。麦克风放置在距离螺旋桨轮毂1.5米的旋转平面内，垂直于地面。采样频率设置为51 kHz，而等效电平的时间步长(积分时间)设置为100 ms。

通过观察地球的图表 对于螺旋桨和T型发动机+螺旋桨配置，可以看出 由T型发动机+螺旋桨配置测量并不总是普遍的 由T型发动机自身产生。

还可以强调的是，在较低的rpm状态下，会出现较高的周期性振荡:这是由角速度控制系统决定的，据报道，角速度控制系统以较高的频率激活。

测试表明，T型发动机+螺旋桨配置在以下方面较为普遍 ，超过T型电机配置。在…里图16可以看出，在1140和1500 rpm的相应角速度下，这种趋势没有实现，并且由于在中心1000、1250和1600 Hz的第三倍频程带中出现不同的音调，T电机配置显示出较高的噪声水平。

对应于2820 rpm的角速度，在 可以突出显示。在上述1140和1500 rpm的情况下，相同的差值变为6 dB(A ),这可以说是电机功能的关键。

比较推力分析带来了一些有趣的考虑，涉及上下螺旋桨以及它们在减小距离时的行为。

据报道，与特定角速度下的数据集相关的标准偏差对两个螺旋桨之间的距离不敏感。可以注意到，标准偏差始终包含在电池制造商定义的额定输出范围的±5%内。

这种可能性显示了称重传感器采集系统的整体良好性能，它不受电气部件位置变化的影响。上螺旋桨的推力性能受距离参数的影响不是很大。这可能是合理的，因为由于试验配置，它仍然向上游运行，但不会受到较低螺旋桨产生的诱导速度的严重影响。

上部螺旋桨的特性曲线显示出与数值模型的良好一致性，据报道，该数值模型对于孤立的上部螺旋桨来说稍微过大(3780 rpm时为0.010 kg)。

下部螺旋桨显示了一些有趣的结果:隔离的下部螺旋桨的推力总是大于三个试验条件A、B和c中的一个。下部螺旋桨的推力性能受到这方面的负面影响，因为下部转子部分地在上部转子的滑流中运行。

由于上部转子位于下部转子的诱导流入速度场中，上部转子受到额外的诱导流速，而下部转子则在上部螺旋桨的收缩尾流中工作，结果，由压力差产生的总推力减小。

结论

这项工作的目的是设计、制造和试验一种新的多旋翼共轴反向旋转螺旋桨试验设备。该设备已被用来证明两个螺旋桨之间的距离是一个敏感的参数，涉及到推力和声学性能。

对T型发动机和T型发动机+螺旋桨配置进行了噪声表征:在1140和1500 rpm的角速度下，T型发动机配置由于在中心频带1000、1250和1600 Hz的第三倍频程频带中出现不同的音调而显示出较高的噪声水平；对于其他测试速度，T型发动机+螺旋桨表现出更高的噪音。

从推力的角度来看，孤立螺旋桨分析显示，在900–3480 rpm的角速度范围内，较低的线性能较差。对整个反向旋转系统的进一步分析表明，对于不同的轴间距离值，单个螺旋桨产生的推力低于相同螺旋桨在孤立条件下运行时产生的推力。

总平均推力在上述三种距离条件下(1.5D、1D和0.65D)没有相关变化。这 在较低rpm状态下显示出较高的可变性，而在角速度高于2820 rpm时，在三种距离条件下是相同的。最后，随着角速度的增加，噪声在频率上变得更加分散。

这项工作的进一步发展将解决安培计的使用，以观察当两个螺旋桨一起工作时力矩马达的作用的减少。结果，应该观察到效率的提高。

参考文献：

共轴反转直升机传动系统构型现状 倪德;李苗苗;胡志安;张栋林;张根苗 南京航空航天大学学报 2021

共轴刚性旋翼构型高速直升机发展研究 李春华; 樊枫; 徐明 航空科学技术 2021

共轴对转双旋翼直升机主减速器构型分析 嚴岳勝; 鄭青春; 張志龍; 孫炫琪 航空动力 2019