小型多旋翼飛行器平衡性測試裝置設計與分析

經本欽， 王鵬舉

（桂林航天工業學院電子信息與自動化學院，廣西桂林541004）

0 引 言

無人駕駛飛行器又稱無人機，是一種利用旋翼產生的升力執行飛行任務的無人飛行器［1-2］。無人機的結構和操作通常都較為簡單，3軸以及4軸飛行器的內部控制器都帶有增穩算法以維持飛行器的姿態穩定［3］，但是在飛行器設計完成之初，往往需要對飛行器結構及控制算法進行測試，以給出性能評價指標。多旋翼飛行器的測試中，多個旋翼在相同驅動情況下產生升力不平衡的問題尤為重要，因此需要設計一種能夠測試四軸飛行器總升力和每個軸獨自升力的裝置，以便能夠在升力不平衡時測試出每個軸獨自的升力，為調節運動控制算法，改進平衡設計提供實時有效參考數據［4］。

利用杠桿原理，通過扭轉力測試裝置可以測試得到單個旋翼的升力［5］，但是單旋翼測試裝置只能測試單個槳的升力，不能滿足多旋翼飛行器升力的多槳同時測試需求，國外也有很多高校開發出了四旋翼的電子測量系統，能夠測試得到四旋翼飛行器的飛行姿態數據［6-8］，但是測試仍然局限于總體姿態。使用風洞測試能夠較為準確地測量出旋翼升力，數據精確可靠［9-11］，但是這樣的系統造價高，測試費用昂貴，普通的四旋翼飛行器設計難以承受如此高昂的測試費用，同時風洞測試步驟也較為煩瑣，調試不方便。通過采用性能較強的單片機配合運動姿態傳感器，利用單片機的實時運算既可以控制飛行器的穩定飛行，同時還可回傳飛行過程中的數據，使得飛行器具有較好的飛行能力，同時也可以獲得姿態數據［12-13］，但是飛行器設備自身安全得不到保障。通過在飛行器控制器端實時接收控制數據，將飛行過程中的姿態數據傳回電腦進行計算，再將計算后的結果發回控制器，由此可以搭建半實物仿真平臺［14-15］，但是該平臺沒有從根本上解決無人飛行器測試階段不受控帶來危險的問題。現有技術可以達到測試單個旋翼升力的效果，但是不能同時測量四旋翼每個旋翼的升力，以及在相同驅動力的情況下測量每個旋翼提供的升力和飛行器的整體平衡性。

本文通過改變懸梁臂結構的配置方式，將單個懸梁臂增加為4個，并在每個懸梁臂上設置伸縮桿和萬向節，解決了系統測量時，升力與重力的靈活轉化問題，并降低空氣反彈力對測量結果的影響，同時設計出配套的測量系統的軟硬件結構，使得整套裝置構成一套完整的多旋翼飛行器平衡性測量系統。

1 系統總體設計

本平衡性測試裝置的總體結構如圖1所示。底部為固定底盤，底盤上構建十字形軌道，在軌道中放置滑塊，測力結構及傳感器安裝在滑塊上。

圖1 裝置總體機械結構

十字形軌道的設計方法，使得本裝置可支持旋翼數量為4以下的飛行器測試需求，測試時每條軌道固定一個旋翼通道。滑塊的設置則滿足不同大小和形狀的飛行器固定需求，滑塊可靈活調節。使用懸梁臂式測力結構兼顧了飛行器自身質量測量和運動過程中的升力測量兩方面需求，一套裝置可滿足不同模式下的使用。

本裝置設計目的：① 飛行器底部固定在伸縮桿上，而伸縮桿通過萬向節固定在滑塊上，使得飛行器可以保持一定的離地高度飛行，降低地面效應對旋翼影響，同時允許飛行器傾斜，以便測量控制算法能保持飛行器平衡性。滑塊沿軌道自由活動，適應不同尺寸飛行器的固定需求；② 測力結構使用懸梁臂式測量方式，靜止狀態下測量飛行器自重，運動狀態下自動切換為升力測量，切換方式靈活，可靠性高，無延時；③ 測量系統可選配加速度傳感器，測試得到的加速度數據可以跟飛行器自帶的多軸傳感器數據進行對比分析，分析機載傳感器性能。

2 機械結構設計

測試裝置既要保證測量的可靠性，同時兼顧測量的靈活性，由此在機械結構的設計上，使用功能部件組合的方式。

設計裝置的底部為底盤，底盤的邊緣等距設置有多個滑塊，每個滑塊的中部安裝支架，支架上有可切換重力測試和升力測試的旋轉桿，旋轉桿的兩端均設置壓力桿，并在靠近底盤邊緣一側的壓力桿的上端設置萬向節，萬向節的上端設置伸縮桿，伸縮桿的上端設置固定盤。

2.1 升力測試結構設計

裝置可以完成無人飛行器靜止狀態時自身質量的測量，飛行器升起后自動轉化為各個通道旋翼升力的測量，如圖2所示。

圖2 升力測試機械結構

支架配合旋轉桿的結構可以實現自身重力測量和升力測量的轉換。支架與旋轉桿配合成為蹺蹺板結構，兩端分別為A端和B端，A端質量大于B端質量，兩端各設置有壓力桿，且在兩個壓力桿正下方放置獨立的2個壓力傳感器。在靜止狀態時，未安裝飛行器時P1壓力傳感器可測量到A端重力與B端重力之差G1，安裝飛行器之后，P1測量到的重力為G2，則飛行器質量G3與G1和G2的關系為

式中：G1為未安裝飛行器時P1測量到的壓力，G1＞0；G2為安裝飛行器后P1測量到的壓力，G2＞0；G3為計算出來的飛行器質量，G3＞0。

飛行器旋翼轉動后產生升力F1，如果F1小于G2，升力不足以抵消G2，飛行器不能夠飛行，此時P1測量值大于零，P2測量值等于零；如果F1升力足夠大，F1＞G2，此時兩者差值將通過平衡桿的旋轉作用轉化為壓力F2，F2方向向上，通過旋轉桿將壓力轉到B端的壓力傳感器P2，此時P1不受力，測量P2的值可得到飛行器升力值。在運動狀態下，F1、F2和G的關系為

即

由此，通過在靜止狀態下測量G2，然后在運動狀態下測量力F2即可得到飛行器的單個旋翼升力F1。

2.2 平衡性測試結構設計

由于制造或使用的磨損，飛行器的旋翼數量超過1個時，多個旋翼會出現給定驅動相同而旋翼提供的升力值不一樣的情況。對于無模型的飛行控制算法，通常無需建立驅動與升力的數學模型，故可以不關心兩者的關系。但是更多情況下，基于模型或模型參考的控制算法能夠帶來控制性能較大的提升，此時需要測試給定與輸出的關系，從而掌握驅動與升力的模型關系。

在運動狀態下，如果飛行器各個旋翼提供升力恰好能平衡飛行器給該旋翼的重力，飛行器保持平衡，而當其中某個或某幾個旋翼提供的升力值超過了該旋翼上方的重力時，飛行器則會出現傾斜甚至傾翻的情況。

通過在滑塊上方的壓力桿A端設置萬向節的方式可滿足飛行器傾轉時自由活動的需要，如果飛行器運行不平穩，發生傾斜，則該萬向節可以自由移動以適應該傾斜角，同時升力值仍然通過壓力桿作用在壓力傳感器上。萬向節的摩擦力需要設計為盡可能小，以保證測試時沒有外力阻礙飛行器的傾斜。

在萬向節上方設置可自由伸長的伸縮桿，伸縮桿的頂端設置固定盤，用于連接飛行器，伸縮桿可配合飛行器上升或下降時伸長或縮短，使飛行器可以在一定范圍內在保持某固定高度懸停，避免離地面太近受到旋翼向下空氣的反彈作用從而影響測試的準確性。

2.3 通用性分析

為使本裝置更具有通用性，在底盤上設置有4條導軌，導軌呈十字形排布，每條導軌內放置有一個滑塊，滑塊可分別沿其所處導軌滑動。

通過設計滑塊配合導軌的方式可以滿足不同旋翼數量飛行器測量的需要，導軌可圍繞底盤的中心滑動以適應不同大小的飛行器固定的需要，而滑塊則沿著固定在底盤上的軌道移動并只能夠在水平方向上移動，不能在垂直方向移動，保證在進行運動測試時，飛行器通過滑塊仍然固定在底盤上，不會發生飛離本裝置的危險。

基于導軌和滑塊的設計，使得本裝置可以適應旋翼數量為4個及4個以下飛行器的測量需求，即包括單旋翼到四旋翼的升力測量，同時可以適應不同尺寸大小的飛行器。

通過機械結構的設計配合油門行程測量模塊、壓力轉換模塊、加速度傳感器和處理器等硬件部分構成一整套測試裝置，實現旋翼數量為4及4以下的飛行器的重力和升力測試，運動過程中各旋翼升力大小及不平衡性的實時測量，裝置結構允許飛行器在一定范圍內升起或傾斜，并能夠測量出傾斜角度及傾斜的角速度，為設計飛行器的控制算法提供可靠的數據。

3 軟硬件電路設計

軟硬件電路用于配合機械部分構成完整的測量裝置，包含油門推動比例測量模塊、壓力變送器、加速度傳感器和處理器。

（1）油門推動比例測量。通過測量飛行器的油門所處位置占滿油門的數值比例，生成油門推動比例數值，此數值用于判斷送給飛行器的油門推動比。

（2）壓力變換模塊。通過將壓力傳感器的模擬輸出量變換成處理器能夠采集的值，測量得到飛行器的質量及其升力。壓力變換通常為AD轉換，使用處理器內部的ADC采集模塊單元即可完成該部分轉換，如圖3所示。

圖3 硬件電路設計

加速度傳感器有4個，每個伸縮桿上均安裝有1個加速度傳感器，由此可精確測量飛行器的傾斜角度以及翻轉速度。將本裝置的多軸加速度傳感器測量值與實際飛行器上自帶的6軸或9軸加速度傳感器數值進行對比，可驗證飛行器自帶的加速度傳感器有無故障。此外，在伸縮桿上安裝加速度傳感器，能夠更快速和高效地采集飛行器的運動姿態。多軸加速度傳感器與處理器可通過IIC總線方式進行通信，信號傳遞速度快，可靠性高。

處理器是裝置的數據處理中心。在靜止狀態下，采集飛行器的自身質量；在飛行模式下，采集油門推動比例數值、旋翼升力和飛行器的傾斜角度以及飛行的實時姿態數據，可實時計算出升力測試值和平衡性測試值，所有這些數據均可輸送至外部計算機系統。

本裝置使用方法為：測試前，先擺放底盤在空曠位置，移動底盤連接的導軌到適合的位置，確定頂端固定盤的相對間距適合飛行器的固定，查看加速度傳感器的參數，確定伸縮桿的位置處于垂直狀態；將飛行器固定在頂端固定盤上，給硬件電路上電，此時處理器可以接收到4個壓力傳感器的電壓值，進一步計算便可獲得飛行器自重參數及飛行器上升需要的額外升力，在計算飛行器升力時需要使用這2個參數；給飛行器上電，并驅動飛行器起飛，此時通過底部旋轉桿可以自動切換壓力至另外4個壓力傳感器。隨著飛行器升力的提高，飛行高度繼續上升，伸縮桿會自動伸展開，以此保持飛行器在遠離地面一定高度上飛行，減少飛行器上升過程中向下的風力對飛行器本身的影響，以測量得到盡可能準確的升力值。

4 結 語

平衡性是評價多旋翼無人機性能的重要指標。通過可移動滑塊配合萬向節的方式設計測試裝置，達到驗證無人機性能的目標，裝置具有設計簡潔，制造維護簡單等優點。該裝置已申請了國家發明專利并獲得授權。該裝置測試得到的數據對于無人機的結構設計和控制算法設計具有重要的指導意義。

·名人名言·

用一個大圓圈所學到的知識，但是圓圈之外是那么多的空白，對我來說就意味著無知。由此可見，我感到不懂的地方還大得很呢。

——愛因斯坦