微小型多旋翼無人機抗風能力測試平臺的研發*

龍賽瓊，黃心深，李 浩，梁 明，劉 希

（廣州海關技術中心，廣州 510623）

0 引言

無人機在我國經過將近30余年的發展，以多樣化的模式應用于社會發展的各個領域。在實際應用的過程中，因其能夠在空中滯留時間長、便于操作、維修成本較低等優勢，使得無人機技術應用在農藥噴灑、監視巡邏、通信中繼、電子對抗、環境評估、環境監測、交通救援、戰場攻擊、對目標模擬和預警等諸多軍事、民生領域［1］。無人機在使用過程中，飛行運動是一個極其復雜的動力學過程，其運動特性受高空風切變和大氣紊流干擾等因素影響，飛行穩定性難以控制［2］。風場的存在極大地影響無人機的飛行軌跡精度和飛行姿態，微小型多旋翼無人機由于重量輕、速度小，更容易受到風的干擾［3］。因此抗風能力作為微小型多旋翼無人機性能的一個重要指標，受到廠商、用戶、科研技術和測試人員的廣泛關注。

目前，微小型多旋翼無人機的抗風性能測試通常在實驗室中通過風洞模擬風場進行，然而風洞實驗相對微小型無人機而言存在3個弊端：（1）風洞過高的建設成本和運行成本不符合微小型無人機的測試需求［4］；（2）風洞難以提供針對微小型多旋翼無人機實際使用中面臨的復雜的模擬實際工況和一些特別的風向；（3）微小型多旋翼無人機在風洞中進行抗風實驗時容易失控，導致無人機的高報廢率和對風洞設備的損害等風險。

為解決上述3個問題，本文研發設計一種低成本、操作方便、實用、低風險的抗風能力測試平臺，既解決風洞測試的高成本、高報廢率和高風險的問題，又能模擬復雜的實際工況，為微小型多旋翼無人機抗風能力測試提供可靠保障。

1 抗風能力測試要求

微小型多旋翼無人機的抗風能力測試暫未有正式頒布的標準要求，參考NY/T 3213－2018《植保無人飛機質量評價技術規范》的要求，提出微小型多旋翼無人機需要滿足在需在風速為6.0±0.5 m/s氣流場下完成起降、懸停、前飛、后飛和側飛等動作，不能出現異常。微小型多旋翼無人機在實際使用的場合多為城市樓宇間、野外山谷等，其需要面臨較為復雜的風場工況。圖1所示為山谷風場示意圖，圖2所示為城市樓宇間風場示意圖。

圖1 山谷風示意圖

圖2 城市樓宇間風場示意圖

多旋翼無人機是通過改變電動機轉速提高升力，使飛機產生與風反方向的傾角，產生推力來抵抗風［5］。當飛機遇到強氣流時，受到橫向、縱向和垂直3個方向的氣流擾動。橫向氣流擾動引起飛機側力和偏航力矩的改變，導致機體出現滾轉和偏航運動；縱向氣流擾動導致空速變化，影響所有氣動部件的受力；垂直氣流擾動改變旋翼誘導速度，引起升力變化［3］。

結合山谷風場、城市樓宇間風場的實際情況和氣流對多旋翼無人機飛行安全的影響，提出對微小型多旋翼無人機抗風能力的要求：在垂直風和斜向上側風的組合氣流場下，完成起降、懸停、前飛、后飛和側飛等動作，亦不能出現異常。

2 抗風能力測試平臺

（1）平臺設計思路

為了實現上述垂直風和斜向上側風的組合氣流場模擬工況的設計指標，從場地選擇、風機布置、出風口不同方向動作的實現3個方面對抗風能力測試平臺進行設計。

為了盡量減少外界氣流場對試驗的影響，抗風能力測試平臺選擇一個相對獨立，封閉效果較好的實驗場地。

為了實現垂直風和斜向上側風的組合氣流場，在實驗場地安置2臺風機。其中一臺風機置于試驗臺中央，出風口方向垂直向上，以實現垂直向上的風場；另一臺置于試驗臺側邊，出風口方向斜向上，以實現斜向上的側向風。兩個風場的交匯處即為無人機飛行測試點。

為了防止無人機在抗風能力測試中發生翻滾、失控、墜毀等事件。無人機通過固定裝置固定于飛行測試點。

（2）平臺硬件設計

基于上述設計思路，微小型多旋翼無人機測試平臺包括無人機固定裝置1、垂直風風機2、側向風風機3和控制系統4。如圖3所示。

圖3 無人機抗風能力測試平臺

無人機固定裝置1用于無人機的固定和連接，位于垂直風風機2的上方，垂直風風機頂部的出風口處安裝有防護網5。防護網通過頂部的十字交叉桿固定在垂直風風機上，可避免無人機意外觸碰扇葉發生危險。無人機固定裝置自下而上包括依次連接的支撐桿6、連接桿7、固定支架8，以及2個球鉸9和10。支撐桿為高度可調的伸縮桿，下端固定在垂直風風機的防護網中心，上端通過球鉸與連接桿連接。連接桿下端與支撐桿連接，上端也是通過球鉸與固定支架。固定支架為測試品的固定裝置，由一個八邊形框架和數條連接桿組成的鏤空裝置。

側向風風機3位于無人機固定裝置的一側，與無人機固定裝置的距離可以自由調節。側向風風機安裝在一個固定裝置上，側向風風機固定裝置包括左立柱11、右立柱12和底座13。左立柱和右立柱通過螺栓固定于底座上，2條立柱的相向內側均設有滑槽。側向風風機的兩端通過滑槽與立柱連接，既可在滑槽中旋轉調節方向，又可沿滑槽上下滑動調節高度。

垂直風風機和側向風風機均選擇動葉可調軸流風機。動葉可調軸流風機具有調節效率高，使調節后的風機處于高效率區內工作的特點。軸流風機調節動葉安裝角，可改變風機的性能曲線。通過性能曲線、動葉安裝角和風道性能曲線的組合可以得出一系列的工作點，滿足不同的測試風場的需求。

垂直風風機和側向風風機通過網絡線路與控制系統4相聯。控制系統運用計算機控制變頻控制技術，提高動葉可調軸流風機系統運行效率，達到節能、高效和穩定的目的。

3 抗風能力測試平臺效果分析

測試人員通過控制系統進行調節動葉可調軸流風機參數，以調節垂直風和側向風風機的風向和風速，模擬一個無人機工況的風場。無人機在風場中飛行時，帶動固定支架和連接桿繞球絞轉動，靈活的固定裝置組件將無人機限制在一定空間內，又最大限度地保持其在風場中的飛行姿態；雙球鉸結構保障無人機在三維方向上的轉動自由；高度可調的支撐桿保證無人機處在垂直風場和側向風場的中心；鏤空的固定支架能減小風場對其影響的誤差。側向風風機通過滑槽在左立柱和右立柱間上下滑動來調整側向風高度，通過角度調整可調整側向風風向，包括水平風。能夠滿足微小型多旋翼無人機在城市樓宇間、野外山谷等實際使用場合所面臨的較為復雜的風場工況需求。

4 結束語

本文所研發的微小型多旋翼無人機測試平臺，替代了目前成本較高、操作難度較大，以及高報廢率和高風險的風洞實驗。該平臺能提供一個復雜的垂直和側向組合的可控風場條件，符合微小型多旋翼無人機測試風場工況，同時又降低微小型多旋翼無人機抗風能力測試的成本，減少報廢，降低風險，滿足微小型多旋翼無人機抗風能力測試需求。