CN209192274U - 无人机旋翼桨毂-旋翼桨叶静平衡测试系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种无人机旋翼桨毂‑旋翼桨叶静平衡测试系统，包括：框架底座部，由驱动电机、联轴器、旋翼轴、轴套和旋翼桨毂组成的旋翼驱动部，由角位移传感器和应力传感器成的振动检测部，以及由数据处理单元和数据记录仪组成的采集记录部；通过应力传感器，可准确实时地检测旋翼桨毂在水平面内的离心应力；通过角位移传感器，可准确实时地检测旋翼桨毂的方位角和角速度；通过对比分析旋翼桨毂的离心应力、方位角和角速度数据，可准确分析旋翼桨毂的静平衡水平，以及旋翼桨毂‑旋翼桨叶的整体静平衡水平；本实用新型的优点在于：测量准确、结构简单、整体测试效果好、速度变化范围宽，适合旋翼类垂直起降飞行器的旋翼系统测试。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种无人机旋翼桨毂-旋翼桨叶静平衡测试系统，能够在准确实时安全地检测旋翼桨毂和旋翼桨叶的静平衡特性，主要应用在航空航天和无人机等技术领域。
背景技术
直升机、多旋翼飞行器等旋翼类垂直起降飞行器的旋翼通常由多片桨叶组成，每片桨叶的重量和重心位置存在一定程度的差异。在旋翼高速旋转的情况下，上述差异会在旋翼桨毂平面内产生交变的应力载荷，从而引起旋翼类垂直起降飞行器的振动。为降低上述振动水平，有必要开展旋翼的静平衡分析工作。目前的静平衡分析大多是在静态条件下，针对桨叶进行的称重量和测重心工作。由于受测量设备和方式的影响，上述静平衡分析精度有限，而且并不能真实反映旋翼的旋转工作状态。此外，旋翼桨毂也有可能存在静不平衡。在此情况下，即使桨叶在静态条件下达到平衡，仍会因安装在静不平衡的旋翼桨毂内而导致整体静不平衡。为了全面分析旋翼旋翼桨毂和旋翼桨叶的静平衡状态，有必要研制无人机旋翼桨毂-旋翼桨叶静平衡测试系统。
本发明通过采用应力传感器组，能够准确实时地检测旋翼桨毂在水平面内的离心应力；通过采用角位移传感器，能够准确实时地检测旋翼桨毂的方位角和角速度；通过对比分析旋翼桨毂的离心应力、方位角和角速度数据，可以准确分析旋翼桨毂的静平衡水平，以及旋翼桨毂-旋翼桨叶的整体静平衡水平。本发明的优点在于：测量准确、结构简单、整体测试效果好、速度变化范围宽，适合旋翼类垂直起降飞行器的旋翼系统测试。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本实用新型提供一种无人机旋翼桨毂-旋翼桨叶静平衡测试系统。
本实用新型解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种无人机旋翼桨毂-旋翼桨叶静平衡测试系统，含有：框架底座部、旋翼驱动部、振动检测部和采集记录部，其中：
框架底座部，含有：上面板、下面板以及位于上面板和下面板之间起支撑作用的支撑柱组件；所述下面板含有固定装置，用于将整个系统牢固地固定在地面上；
旋翼驱动部，含有：驱动电机、联轴器、旋翼轴、轴套以及旋翼桨毂；所述驱动电机底面固定在下面板上，且所述驱动电机的输出轴通过联轴器连接旋翼轴的一端，并允许所述旋翼轴产生一定程度的角偏移；所述旋翼轴另一端穿过所述上面板与所述旋翼桨毂相连，所述旋翼桨毂上端连接旋翼桨叶；所述轴套设置在所述旋翼轴与上面板之间，且所述轴套内部通过轴承与旋翼轴连接，所述轴套外部与上面板固定连接，以保持固定的轴向位置；
振动检测部，含有：角位移传感器和应力传感器组；所述角位移传感器用于检测所述旋翼桨毂的方位角；所述应力传感器组含有多个在所述轴套与所述上面板之间沿周向分布排列的应力传感器，用于检测所述轴套对所述上面板的水平应力；其中，应力传感器组的应力传感器可采用多种和多个分布方式，包括但不限于2个、3个、4个、5个或更多个，应力传感器的类型可为同一类型，也可为不同类型。如果采用不同类型的应力传感器，应事先做好应力传感器的标定工作。
采集记录部，含有数据处理单元和数据记录仪，所述数据处理单元与所述角位移传感器和应力传感器相连，用于实时采集应力传感器的应力数据以及角位移传感器的方位角数据，以获取应力、方位角和角速度形成的数据样本；所述数据处理单元还与所述数据记录仪相连，用于将所述数据样本实时记录在所述数据记录仪中，用于离线分析；所述数据处理单元还可与上位机相连，将所述数据样本实时传输至上位机，用于在线分析。
角速度解算方法：根据单位时间内角位移传感器检测到的角位移，除以单位时间得到角速度，并经过滤波得到角速度数据；
记录所有传感器在每个时间点(如0.01s)所记录的检测数据：应力数据、方位角数据、角速度数据，得到数据样本。数据样本是一个二维数组。每一行是一个时间点的全部传感器数据，每一列是一个传感器在全部时间点的全部数据。
进一步，应力传感器一般为平面结构，因此，为了便于应力传感器的安装和测量，所述轴套的外侧壁上沿周向设有与所述应力传感器数量相同的第一应力平面，所述上面板上设有用于安装轴套的安装孔，所述安装孔的内侧壁上沿周向设有与所述第一应力平面一一对应的第二应力面，所述应力传感器设置在第一应力平面和第二应力面之间，且与第一应力平面和第二应力面刚性连接。
在旋翼桨叶静不平衡的情况下，高速旋转的旋翼桨叶会在水平方向产生离心力，并作用在所述旋翼轴和轴套上；所述应力传感器组，由多个分布排列的应力传感器组成，通过检测所述旋翼轴套上的应力，可得到实时的旋翼桨毂所受应力数据。所述角位移传感器用于检测所述旋翼桨毂的方位角和角速度。
应力传感器检测应力，角位移传感器可检测方位角，根据某一个时刻应力传感器和角位移传感器的检测结果，可以得到实时的旋翼桨毂所受应力和方位角的对应数据。
通过分析旋翼桨毂应力、方位角、角速度和时间的对应关系，得到旋翼桨毂以及旋翼桨毂-旋翼桨叶的静平衡量化检测数据，从而反映了旋翼桨毂的静平衡水平，以及旋翼桨毂-旋翼桨叶的整体静平衡水平。
本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种无人机旋翼桨毂-旋翼桨叶静平衡测试系统，通过采用应力传感器组，能够准确实时地检测旋翼桨毂在水平面内的离心应力；通过采用角位移传感器，能够准确实时地检测旋翼桨毂的方位角和角速度；通过对比分析旋翼桨毂的离心应力、方位角和角速度，可以准确分析旋翼桨毂的静平衡水平，以及旋翼桨毂-旋翼桨叶的整体静平衡水平；本实用新型的优点在于：测量准确、结构简单、整体测试效果好、速度变化范围宽，适合旋翼类垂直起降飞行器的旋翼系统测试。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1是本实用新型最佳实施例的结构示意图。
图2是无人机旋翼桨毂-旋翼桨叶静平衡测试系统的侧视图。
图3是无人机旋翼桨毂-旋翼桨叶静平衡测试系统的俯视图。
图4是无人机旋翼桨毂-旋翼桨叶静平衡测试系统的的外形图。
图5是无人机旋翼桨毂-旋翼桨叶静平衡测试系统的原理图。
图6是无人机旋翼桨毂-旋翼桨叶静平衡测试系统的硬件连接架构图。
图7是无人机旋翼桨毂-旋翼桨叶静平衡测试系统的典型测试流程图。
图中：1a.上面板，1b.支撑柱组件，1c.下面板，2.驱动电机，3.联轴器，4.旋翼轴，5.角位移传感器，6.轴套，601.轴承，7.应力传感器组，701.应力传感器，702.应力传感器，703.应力传感器，704.应力传感器，8.旋翼桨毂，9.数据处理单元，10.数据记录仪，11.旋翼桨叶。
具体实施方式
现在结合附图对本实用新型作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。
如图1-图4所示，本实用新型的一种无人机旋翼桨毂-旋翼桨叶静平衡测试系统，由框架底座部、旋翼驱动部、振动检测部、采集记录部组成。
框架底座部，含有：上面板1a、下面板1c，以及位于上、下两块面板之间起支撑作用的支撑柱组件1b；所述下面板1c含有固定装置，用于将整个系统牢固地固定在地面上；本实施例中支撑柱组件1b采用四根立柱，形成矩形分布。
旋翼驱动部，含有：驱动电机2、联轴器3、旋翼轴4、轴套6、轴承601，以及旋翼桨毂8；所述驱动电机2通过联轴器3连接旋翼轴4，并允许所述旋翼轴4产生一定程度的角偏移；所述旋翼轴4穿过所述轴承601、所述轴套6和所述上面板1a后，与所述旋翼桨毂8相连；所述轴套6通过所述轴承601与旋翼轴4旋转连接，所述轴套6在所述旋翼轴4上保持固定的轴向位置；所述驱动电机2的底面与所述下面板1c相连。
如图5所示，振动检测部，含有：角位移传感器5和应力传感器组7；所述角位移传感器5用于检测所述旋翼桨毂8的方位角；所述应力传感器组7，由多个在所述轴套6与所述上面板1a之间分布排列的应力传感器701、702、703和704组成，用于检测所述轴套6对所述上面板1a的水平应力；其中，应力传感器组7的应力传感器可采用多种多个分布方式，包括但不限于2个、3个、4个、5个或更多个，在此以4个应力传感器701、702、703、704为例，以说明问题；角位移传感器5安装在轴套6下方的旋翼轴上，角位移传感器5由动环和不动环组成，动环与旋翼轴4连接，不动环与轴套6连接。
应力传感器一般为平面结构，因此，为了便于应力传感器的安装和测量，所述轴套6的外侧壁上沿周向设有与所述应力传感器数量相同的第一应力平面，所述上面板1a上设有用于安装轴套6的安装孔，所述安装孔的内侧壁上沿周向设有与所述第一应力平面一一对应的第二应力面，所述应力传感器设置在第一应力平面和第二应力面之间，且与第一应力平面和第二应力面刚性连接。轴套6的形状可以为圆柱或棱柱，如果采用圆柱则在外侧面切削形成第一应力面，便于应力传感器贴合，此时，安装孔对应的也为圆柱孔，安装孔侧壁向凸起形成第二应力平面；如果采用棱柱可以将棱柱的棱沿轴向切削形成第一应力面，此时安装孔对应的也为棱柱孔，轴套6的形状包括但不限于上述形状。另外轴套6与上面板1a之间形成形面连接，可以有效避免轴向的旋转。
如图6所示，采集记录部，含有数据处理单元9和数据记录仪10，所述数据处理单元9与所述振动检测部相连，用于实时采集所述应力传感器组7的应力数据和所述角位移传感器5的角度数据；以获取应力、方位角和角速度等数据样本；所述数据处理单元9还与所述数据记录仪10相连，用于将所述数据样本实时记录在所述数据记录仪10中，以便离线分析；所述数据处理单元9还可与上位机相连，将所述数据样本实时传输至上位机，以便在线分析。
在旋翼桨毂8和旋翼桨叶11静不平衡的情况下，高速旋转的旋翼桨毂8和旋翼桨叶11会在水平方向产生离心力，并依次作用在所述旋翼轴4、所述轴承601和所述轴套6上；所述应力传感器组7通过检测所述轴套6上受到的水平应力，可得到实时的旋翼桨毂8所受应力Thub和方位角ψhub数据。
所述角位移传感器5用于检测所述旋翼桨毂8的方位角ψ和角速度ω。
通过分析旋翼桨毂8应力、方位角、角速度和时间的对应关系，得到旋翼桨毂8以及旋翼桨毂8-旋翼桨叶11的静平衡量化检测数据，从而反映了旋翼桨毂8的静平衡水平，以及旋翼桨毂8-旋翼桨叶11的整体静平衡水平。
测试系统的工作原理：在旋翼桨毂8和旋翼桨叶11静不平衡的情况下，高速旋转的旋翼桨毂10和旋翼桨叶11会在水平方向产生离心力，并依次作用在所述旋翼轴4、所述轴承601和所述轴套6上；所述应力传感器组7通过检测所述轴套6上受到的水平应力，可得到旋翼桨毂8所受水平应力Thub和方向角ψhub数据。
通过检测旋翼桨毂8水平应力的大小，确定旋翼桨毂-旋翼桨叶的不平衡方向程度；通过检测旋翼桨毂8水平应力的方向与旋翼桨毂8方位角的偏差，确定旋翼桨毂-旋翼桨叶的不平衡方向。
具体步骤为：
1)旋翼轴4旋转过程中，任意时刻同时采集各个应力传感器701，702，703，704检测的应力，合成得到所述轴套6的水平应力和方向；进而得到旋翼轴4所受的水平应力和应力方向；
2)所述轴套6的水平应力和方向与旋翼桨毂8的水平应力和方向相对应，因此可由数据处理器9计算得到计算旋翼桨毂8所受水平应力Thub和方向角ψhub：
其中，T和ψT分别为所述应力传感器组7所检测合力的幅值与方位角，Ty和Tx分别为所述合力T沿x轴和y轴的分量，Fi为各个应力传感器701、702、703、704检测的应力，ψi为各个应力传感器701、702、703、704相对x轴的安装方位角，并以顺时针为正方向，N为应力传感器的个数，K1为比例系数；
3)根据旋翼桨毂8所受水平应力Thub的大小，可感知旋翼桨毂8和旋翼桨叶11的不平衡程度；
4)根据旋翼桨毂8方位角ψ与所受水平应力ψhub的偏差角，可确定旋翼桨毂8和旋翼桨叶11的不平衡方向，进一步确定不平衡的旋翼桨叶或桨毂部分；
5)根据需要，可在不同转速ω条件下分析旋翼桨毂-旋翼桨叶的静平衡特性，得到旋翼桨毂-旋翼桨叶在全转速范围内的静平衡特性，转速由角位移传感器数据计算得到：
ω＝f(Δψ/ΔT)，
其中，根据所述角位移传感器5在每个采样周期ΔT内，检测到的所述旋翼桨毂8的方位角的变化量Δψ，f为采用的滤波算法，包括但不限于一阶滤波、二阶滤波、平滑滤波、IIR滤波、FIR滤波等；
如图7所示，典型的测试流程为：
首先，单独测试旋翼桨毂8的静平衡特性：不安装旋翼桨叶11，测试旋翼桨毂8的静平衡特性，如不满足静平衡标准，应采取相关调整措施，直到达标；
随后，测试旋翼桨毂8和旋翼桨叶11的整体静平衡特性：将待测旋翼桨叶11安装在旋翼桨毂8内，测试旋翼桨毂8和旋翼桨叶11的整体静平衡特性，如不满足静平衡标准，应采取相关调整措施，直到达标；
经过上述静平衡测试后，旋翼桨毂8将达到静平衡标准，或旋翼桨毂8-旋翼桨叶11将整体达到静平衡标准。
通过依次开展旋翼桨毂和旋翼桨毂-旋翼桨叶11的静平衡测试，可逐步分析旋翼桨毂8的静平衡特性，以及旋翼桨毂8和旋翼桨叶11的整体静平衡特性。本实用新型利用应力传感器组7和角位移传感器5的配合，能够实时准确地分析并记录旋翼桨毂8和旋翼桨叶11的静平衡数据。
以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本实用新型的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (3)
1.一种无人机旋翼桨毂-旋翼桨叶静平衡测试系统，其特征在于：含有：框架底座部、旋翼驱动部、振动检测部和采集记录部，其中：
框架底座部，含有：上面板、下面板以及位于上面板和下面板之间起支撑作用的支撑柱组件；所述下面板含有固定装置，用于将整个系统固定；
旋翼驱动部，含有：驱动电机、联轴器、旋翼轴、轴套以及旋翼桨毂；所述驱动电机底面固定在下面板上，且驱动电机的输出轴通过联轴器连接旋翼轴一端；所述旋翼轴另一端穿过所述上面板与所述旋翼桨毂相连，所述旋翼桨毂上端连接旋翼桨叶；所述轴套设置在所述旋翼轴与上面板之间，且所述轴套内部通过轴承与旋翼轴连接；所述轴套外部与上面板固定连接，以保持固定的轴向位置；
振动检测部，含有：角位移传感器和应力传感器组；所述角位移传感器用于检测所述旋翼桨毂的方位角和角速度；所述应力传感器组含有多个在所述轴套与所述上面板之间沿周向分布排列的应力传感器，用于检测所述轴套对所述上面板的水平应力；
采集记录部，含有数据处理单元和数据记录仪；所述数据处理单元与所述角位移传感器和应力传感器相连，用于实时采集应力传感器的应力数据以及角位移传感器的方位角数据，以获取应力、方位角和角速度形成的数据样本；所述数据处理单元还与所述数据记录仪相连，所述数据记录仪用于实时记录所述数据样本。
2.如权利要求1所述的无人机旋翼桨毂-旋翼桨叶静平衡测试系统，其特征在于：所述采集记录部还包括上位机；所述数据处理单元与上位机相连，将所述数据样本实时传输至上位机，用于在线分析。
3.如权利要求1所述的无人机旋翼桨毂-旋翼桨叶静平衡测试系统，其特征在于：所述轴套的外侧壁上沿周向设有与所述应力传感器数量相同的第一应力平面；所述上面板上设有用于安装轴套的安装孔；所述安装孔的内侧壁上沿周向设有与所述第一应力平面一一对应的第二应力面；所述应力传感器设置在第一应力平面和第二应力面之间，且与第一应力平面和第二应力面刚性连接。
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