无人飞行器气动力测量系统设计与验证

方毅 徐锦法

摘 要：本文设计了一套基于应变敏感的气动力测量系统，能用于无人飞行器气动力测试、旋翼拉力试验等试验工作。测量系统敏感部件设计为分体式六分量天平，以硬质钢材为敏感材料、电阻应变片为敏感元件，采用全桥应变作为气动力测量电路，使用嵌入式设备作为数据处理器，并使用用C#語言设计了一套数字信号采集处理与显示程序，实现了气动力模拟信号到数字信号转换和模数转换、信号采集、数据存储、数据显示的模块化设计。测量系统经标定、实验，验证了功能，表明所设计测量系统满足设计要求。上位机界面简洁明了、容易操纵，可为无人飞行器的研制提供一个方便可靠的实验平台。

关键词：无人飞行器;气动力;应变片;测量系统

中图分类号：V221 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）23-0081-03

0 引言

无人旋翼飞行器可广泛应用于搜救、救援、巡检等任务，既可以贴地飞行，也可以长时间近距离靠近物体飞行，可以完成固定翼飞机无法完成的任务。

无人旋翼飞行器研制需要研究其操纵响应特性，需要一套气动力测量系统测试气动力响应数据进而分析其操纵性。气动力测量天平有单分量天平、多分量天平，按结构形式可分成盒式天平、杆式天平、分体式天平。单分量天平的测量力素单元是唯一的，所以不存在耦合问题，测量多个力素时需多个测量单元组合，结构安装不方便。飞行器气动力测量中通常是盒式多分量天平，利于分析和研究，但天平结构复杂、加工难度大，不同的轴向之间存在耦合，标定过程复杂。本文研制了一款分体式多分量天平和信号测量、采集与处理系统，通过电阻应变片组桥及结构模块安装上消除了各轴向力和力矩测量的耦合。

1 分体式六分量天平

分体式六分量天平使用传统测量原理，采用单轴向测量模块进行组合，在模块设计上只敏感单轴向应力变化，其它轴向通过机械设计加工实现隔离解耦，天平设计具有上下两底板，下底板用于固定，上底板用于安装待测量飞行器，详见下述。

1.1 单分量测量单元模块与六分量天平

六分量天平设计由八个单分量测量单元模块组成，每个测量单元模块为力素敏感单元。测量单元模块的梁臂上下表面上粘贴有应变片，用于构成3个轴向力和3个轴向力矩测量桥路的桥臂，测量单元模块和组合式测量天平结构如图1。测量单元模块的梁臂产生弯曲引起粘贴在测量梁臂上的应变片产生形变进而敏感出弯曲产生的应力电压，进而测量出力值。通过八个单个测量单元模块组合构成测量升力、压力、侧力、滚转力矩、俯仰力矩、航向力矩的六分量天平。

为使六分量天平只敏感单一轴向的力或力矩，测量单元模块设计为正交薄壁式结构（图中凹槽处的薄壁），薄壁厚度较小，以尽可能减小耦合干扰。

1.2 天平受力分析

天平测量的六个分量为三个轴向力和绕三个轴的力矩，测量单元模块只感受单自由度方向的应变，通过对八个测量单元模块组合才能实现对飞行器的六力素的测量，测量单元模块的安装组合方式具体见表1所示，测量单元模块编号参考图1单元模块编号，坐标原点位于天平中心，x轴指向5号测量单元模块、y轴指向7号测量单元模块、z轴指向下方（右手定则）。

由图表可知，1号、3号、6号、8号构成Z向力、X向力矩和Y向力矩的测量单元模块，2号、7号、4号、5号构成X向力、Y向力和绕Z轴向力矩的测量单元模块。测量单元模块具有有四个薄壁，单个模块只承受垂向力作用，并可实现非垂向力的卸载，可解决多分量天平轴向耦合问题。

1.3 应变桥与测量精度

测量单元模块材料为沉淀硬化不锈钢，属高强度材料，材料特性受力形变导致的应变小，电阻应变片可用来测量其微小应变。经调研，应变片选用中航电测的阻值为350Ω高精度电阻应变片，组全桥实现应变测量。

1.3.1 桥路测量原理

每个测量单元模块构成一个力素测量桥路的两个桥臂，四个桥臂至少需要两个测量单元模块，部分力素测量桥路中单个桥臂由2个测量单元模块串级而成，部分力素测量桥路由4个测量单元组成。

当四个桥臂电阻相等时，即，桥路输出为0。如桥臂电阻分别有变化时，则输出电压为u0=，式中ui为电桥的桥压，u0为电桥输出电压。如果四个桥臂上的电阻应变片灵敏度系数均为K，即=Kεi，则输出电压u0=K（ε1-ε2+ε3-ε4），式中ε1、ε2、ε3、ε4分别为电阻应变片所感受到的应变值。

1.3.2 串联式全桥电路特性分析

桥路总应变为εd==ε1-ε2+ε3-ε4，是实际测得的应变值。假设全桥电路的某个桥臂由n个阻值为R的电阻应变片串联而成，则总阻值为nR，单个桥臂电阻应变值为：

ε1===（ε'1+ε'2+…+ε'n）

也就是说，串联后的桥臂应变值为各电阻应变片应变值的平均。假定选用相同电阻应变片，则桥臂电阻串联其桥臂应变值等于单个应变片的应变值，测量精度不会有明显提高，只是桥臂电阻值增大，但可以提高供桥电压。

1.3.3 力素测量桥路

测量单元模块的应变片粘贴方式如图2所示，敏感部位共粘贴6片应变片，粘贴位置对称、准确。敏感部位上下两表面上的相应位置标号分别用1、2、3和1‘、2、3‘表示，测量单元模块用1、2……8表示，则Z向力测量桥路可用R11/R11”、R31/R31”、R61/R61”、R81/R81”来组桥，如图2所示，AB端为供桥电源桥点，CD为信号桥点。

天平受到向上的拉力作用时测量单元模块的敏感部位上表面应变片受到压缩，下表面内部应变片受到拉伸，二者形变形式不同，但是应变量大小相同的，因此二者仅数值大小有正负，通过串联接线方法组成的串联全桥可以实现高精度的应变测量。当各应变片的应变相同，则有：

εd=（+++）-（---）=

2 信号调理与数据采集

2.1 信号调理与数据采集硬件

信号调理与数据采集硬件包括信号调理电路、模数转换电路、数据采集电路，测量时还需要进行度量空间转换标定。由六分量天平的各测量单元模块感知气动力响应信号（即微应变），应变桥将微应变转换为电压模拟信号，模数转换电路把电压模拟信号转换数字信号，力素度量空间转换标定将数字电压信号转换为力学数据。

数据采集处理器芯片选用STM32F103xx增强型微控制器，具有一个嵌入式ARM核，兼容所有ARM工具和软件;嵌入式Flash存储器和RAM存储器，内置多达512KB的嵌入式Flash用于存储程序和数据;可变静态存储器（FSMC）、嵌套矢量中断控制器（NVIC）、外部中断/事件控制器（EXTI）等，具有多种电源管理模式。

信号调理及数据采集处理电路如图3所示，6个力素测量单元各自独立。测量单元模块通信接口设计为九芯航空插头，且具有互换性，测量单元模块和数据采集系统间使用9芯优质屏蔽线连接，可有效屏蔽外界电磁干扰。

2.2 通信机制

信号调理与数据采集系统将采集到的力素数据传输到上位机进行数据显示和存储，数据采集系统与上位机间设计采用CAN总线串行通信。因现有的计算机不具有CAN总线接口而无法直接进行数据交互，设计添加了CAN转串口数据收发器以实现数据快速传输，如图3所示。

CAN总线通信优点是不限制节点数量，且通信可靠，CAN总线上的节点没有固定的地址，通过数据包ID而非节点地址来收发数据，只要总线上数据包的ID号在则该ID节点数据就被送到上位机软件处理单元进行相应的数据处理。该方式适用于多点数据采集系统，且开发使用方便快捷。

2.3 上位机软件设计

上位机软件使用C#语言开发，具有数字力素电压信号采集、信号调理与数据通信、显示、存储、回放等功能。图4所示为上位机软件用户界面。

3 实验与结果

3.1 天平标定

测量天平使用前需进行标定，上位机数据采集软件兼具标定功能，各力素通道标定结果如图5所示。标定完成后，加载13kg静态力，静态力测量结果显示标定数据可靠，对标定数据和实测结果进行比较发现，测量误差在10g左右，测量精度满足无人飞行器机动飞行力学测试要求。多次标定后选取可信平均值作为标定数据，图5表中数据为垂向升力标定数据实例。天平在静态状态时标定数据显示其回复性较好。

3.2 实测验证

由于实验时飞行器非静态工作，因此天平测量受扰动影响。为检验动态实验中天平的回复性，设计了飞行器定速变距实验来检验天平在动态使用过程中的回复性，实验条件为在相同转速条件下固定时间长度内以相同的旋翼总距变化量来测试旋翼升力大小，实验数据实例如图6所示。经多次实验数据对比表明：动态条件下天平可回复性较好，且实测升力数據与理论计算值接近，误差在允许范围内，静态实验及动态实验都证明天平的设计及制作可靠。

4 结语

本文设计了一种新型的分体式六分量天平，重点研究了天平的构型设计以及测量方法，包括天平测量的组桥方式、测量精度分析、数据采集的实现、数据采集硬件与上位机程序的通信交互。设计制作了一套天平系统并将其应用在实际实验中，测量数据与理论计算值相近并且在误差允许范围内，结果表明该天平的设计可行，整套系统在实际实验中经过验证是可行有效的。

参考文献

[1] 匡莉娟，施洪昌.基于虚拟仪器的风洞测控系统设计[J].工业控制计算机，2009，22（4）：15-16.

[2] 张景柱.特种六分力传感器设计原理研究[D].南京：南京理工大学，2008.

[3] 韩步璋，程朴人，杨爱苏，等.提高风洞天平阻力测量精确度的研究[J].气动实验与测量控制，1995，9（2）：61-65.

[4] KailWatson，Christian Nagel，齐立波.C#入门经典[M].北京：清华大学出版社，2008.

[5] 计欣华，邓宗白，鲁阳，等.工程实验力学[M].机械工业出版社，2010.