微小型多旋翼无人机抗风能力测试平台的研发*

龙赛琼，黄心深，李 浩，梁 明，刘 希

（广州海关技术中心，广州 510623）

0 引言

无人机在我国经过将近30余年的发展，以多样化的模式应用于社会发展的各个领域。在实际应用的过程中，因其能够在空中滞留时间长、便于操作、维修成本较低等优势，使得无人机技术应用在农药喷洒、监视巡逻、通信中继、电子对抗、环境评估、环境监测、交通救援、战场攻击、对目标模拟和预警等诸多军事、民生领域［1］。无人机在使用过程中，飞行运动是一个极其复杂的动力学过程，其运动特性受高空风切变和大气紊流干扰等因素影响，飞行稳定性难以控制［2］。风场的存在极大地影响无人机的飞行轨迹精度和飞行姿态，微小型多旋翼无人机由于重量轻、速度小，更容易受到风的干扰［3］。因此抗风能力作为微小型多旋翼无人机性能的一个重要指标，受到厂商、用户、科研技术和测试人员的广泛关注。

目前，微小型多旋翼无人机的抗风性能测试通常在实验室中通过风洞模拟风场进行，然而风洞实验相对微小型无人机而言存在3个弊端：（1）风洞过高的建设成本和运行成本不符合微小型无人机的测试需求［4］；（2）风洞难以提供针对微小型多旋翼无人机实际使用中面临的复杂的模拟实际工况和一些特别的风向；（3）微小型多旋翼无人机在风洞中进行抗风实验时容易失控，导致无人机的高报废率和对风洞设备的损害等风险。

为解决上述3个问题，本文研发设计一种低成本、操作方便、实用、低风险的抗风能力测试平台，既解决风洞测试的高成本、高报废率和高风险的问题，又能模拟复杂的实际工况，为微小型多旋翼无人机抗风能力测试提供可靠保障。

1 抗风能力测试要求

微小型多旋翼无人机的抗风能力测试暂未有正式颁布的标准要求，参考NY/T 3213－2018《植保无人飞机质量评价技术规范》的要求，提出微小型多旋翼无人机需要满足在需在风速为6.0±0.5 m/s气流场下完成起降、悬停、前飞、后飞和侧飞等动作，不能出现异常。微小型多旋翼无人机在实际使用的场合多为城市楼宇间、野外山谷等，其需要面临较为复杂的风场工况。图1所示为山谷风场示意图，图2所示为城市楼宇间风场示意图。

图1 山谷风示意图

图2 城市楼宇间风场示意图

多旋翼无人机是通过改变电动机转速提高升力，使飞机产生与风反方向的倾角，产生推力来抵抗风［5］。当飞机遇到强气流时，受到横向、纵向和垂直3个方向的气流扰动。横向气流扰动引起飞机侧力和偏航力矩的改变，导致机体出现滚转和偏航运动；纵向气流扰动导致空速变化，影响所有气动部件的受力；垂直气流扰动改变旋翼诱导速度，引起升力变化［3］。

结合山谷风场、城市楼宇间风场的实际情况和气流对多旋翼无人机飞行安全的影响，提出对微小型多旋翼无人机抗风能力的要求：在垂直风和斜向上侧风的组合气流场下，完成起降、悬停、前飞、后飞和侧飞等动作，亦不能出现异常。

2 抗风能力测试平台

（1）平台设计思路

为了实现上述垂直风和斜向上侧风的组合气流场模拟工况的设计指标，从场地选择、风机布置、出风口不同方向动作的实现3个方面对抗风能力测试平台进行设计。

为了尽量减少外界气流场对试验的影响，抗风能力测试平台选择一个相对独立，封闭效果较好的实验场地。

为了实现垂直风和斜向上侧风的组合气流场，在实验场地安置2台风机。其中一台风机置于试验台中央，出风口方向垂直向上，以实现垂直向上的风场；另一台置于试验台侧边，出风口方向斜向上，以实现斜向上的侧向风。两个风场的交汇处即为无人机飞行测试点。

为了防止无人机在抗风能力测试中发生翻滚、失控、坠毁等事件。无人机通过固定装置固定于飞行测试点。

（2）平台硬件设计

基于上述设计思路，微小型多旋翼无人机测试平台包括无人机固定装置1、垂直风风机2、侧向风风机3和控制系统4。如图3所示。

图3 无人机抗风能力测试平台

无人机固定装置1用于无人机的固定和连接，位于垂直风风机2的上方，垂直风风机顶部的出风口处安装有防护网5。防护网通过顶部的十字交叉杆固定在垂直风风机上，可避免无人机意外触碰扇叶发生危险。无人机固定装置自下而上包括依次连接的支撑杆6、连接杆7、固定支架8，以及2个球铰9和10。支撑杆为高度可调的伸缩杆，下端固定在垂直风风机的防护网中心，上端通过球铰与连接杆连接。连接杆下端与支撑杆连接，上端也是通过球铰与固定支架。固定支架为测试品的固定装置，由一个八边形框架和数条连接杆组成的镂空装置。

侧向风风机3位于无人机固定装置的一侧，与无人机固定装置的距离可以自由调节。侧向风风机安装在一个固定装置上，侧向风风机固定装置包括左立柱11、右立柱12和底座13。左立柱和右立柱通过螺栓固定于底座上，2条立柱的相向内侧均设有滑槽。侧向风风机的两端通过滑槽与立柱连接，既可在滑槽中旋转调节方向，又可沿滑槽上下滑动调节高度。

垂直风风机和侧向风风机均选择动叶可调轴流风机。动叶可调轴流风机具有调节效率高，使调节后的风机处于高效率区内工作的特点。轴流风机调节动叶安装角，可改变风机的性能曲线。通过性能曲线、动叶安装角和风道性能曲线的组合可以得出一系列的工作点，满足不同的测试风场的需求。

垂直风风机和侧向风风机通过网络线路与控制系统4相联。控制系统运用计算机控制变频控制技术，提高动叶可调轴流风机系统运行效率，达到节能、高效和稳定的目的。

3 抗风能力测试平台效果分析

测试人员通过控制系统进行调节动叶可调轴流风机参数，以调节垂直风和侧向风风机的风向和风速，模拟一个无人机工况的风场。无人机在风场中飞行时，带动固定支架和连接杆绕球绞转动，灵活的固定装置组件将无人机限制在一定空间内，又最大限度地保持其在风场中的飞行姿态；双球铰结构保障无人机在三维方向上的转动自由；高度可调的支撑杆保证无人机处在垂直风场和侧向风场的中心；镂空的固定支架能减小风场对其影响的误差。侧向风风机通过滑槽在左立柱和右立柱间上下滑动来调整侧向风高度，通过角度调整可调整侧向风风向，包括水平风。能够满足微小型多旋翼无人机在城市楼宇间、野外山谷等实际使用场合所面临的较为复杂的风场工况需求。

4 结束语

本文所研发的微小型多旋翼无人机测试平台，替代了目前成本较高、操作难度较大，以及高报废率和高风险的风洞实验。该平台能提供一个复杂的垂直和侧向组合的可控风场条件，符合微小型多旋翼无人机测试风场工况，同时又降低微小型多旋翼无人机抗风能力测试的成本，减少报废，降低风险，满足微小型多旋翼无人机抗风能力测试需求。