[发明专利]一个超微型旋翼俯仰运动推进性能的测试装置

说明书

本发明提供了一种超微型旋翼俯仰运动推进性能的测试装置，包括俯仰平台，超微型旋翼固定连接在该俯仰平台上，所述俯仰平台上进一步连接有驱动超微型旋翼振动的驱动装置以及检测微型旋翼振动的压电片，所述压电片的一端固定在俯仰平台上，另一端悬空且与微型旋翼固定连接，所述压电片随着微型旋翼的运动而一起运动。本发明可以驱动超微型尺度的(展长7.5cm内)旋翼进行俯仰运动，并在俯仰运动的同时测试该尺度旋翼的推进性能。

【技术领域】

本发明属于一套完整驱动超微型旋翼进行俯仰运动，测试其转速、力、力矩等推进性能的实验装置。

【背景技术】

由于超微型旋翼飞行雷诺数在20000以下，属于极低雷诺数下的流动，此时惯性力作用减小，黏性力影响增大，易引发层流分离进而导致旋翼气动性能急剧下降，超微型旋翼品质因数降低。目前微型旋翼飞行器多采用稳态空气动力学理论设计的传统螺旋桨，但由于超微型旋翼飞行器对能量效率要求很高，传统的优化设计方法对超微型旋翼气动特性和推进效率的提高有限。

目前旋翼的推进性能测试装置一般由驱动系统、测量系统、信号采集处理系统、支撑系统四个部分组成。其中，驱动系统由电源、电机、调速系统等组成。为了得到稳定的转速输出，一般采用直流稳压电源对电机、电调等转动设备进行电力供给。对于微型旋翼，电机要求尺寸小、扭矩大，从而能产生高转速。电调等转速控制装置也要求尽可能小的尺寸。测量系统是旋翼推进测试系统的关键，主要用于测试旋翼转速、力、扭矩等推进参数。转速测量一般采用光电测量，光电测量具有非接触、精度高、响应快等优点。微型旋翼的力、扭矩量级很小，在一定误差环境下需要采用高精度的传感器才能准确测量。数据采集和处理系统分为两个部分，一部分是对传感器等测取的数据进行实时的采集和反馈，另一部分是对测取的大量数据进行处理，如电信号处理为对应的旋翼推进参数，以及提取有用的力、力矩等参数信息。支撑系辅助系统。旋翼、电机、电调、各类传感器等多个微小精密器件需要一个合理的支撑安装系统，同时可以调节零器件的位置，便于测试。

例如南京航空航天大学建立了一套微型旋翼的推进性能测试装置，该装置由旋翼驱动系统、底座、测量系统以及辅助系统组成。其中，驱动系统由直流电源、直流无刷电机及调速系统组成。驱动电机的电源选用6V的大容量直流铅蓄电瓶，电机为KV4800内转子无刷电机，功率为300W。采用PWM(Pulse-Width Modulation，脉宽调制)调节方式，通过改变PWM控制脉冲的占空比来调节输入无刷直流电动机的平均直流电压(线电压)，以达到调速的目的。为了减小实验过程中电源连线对测量的干扰，使用高强度漆包线制成的弹簧电线对电机供电。测速采用光电方法，在桨叶上安装反光贴纸，当旋转桨叶上的反光贴纸通过光电传感器前时，光电传感器的输出就会跳变一次。通过测出这个跳变频率，就可得到旋翼的转速。测力系统包括而二分量天平及数据采集系统，其中二分量天平用于测量旋翼的拉力及扭矩，通过对天平输出电压信号的采集和处理，可以得到旋翼的拉力和扭矩；为了控制旋翼的位置和旋转，加入了齿轮结构进行传动，通过定位螺孔调节旋翼在电机上的位置。

然而，该装置用于测试尺度在20cm以上的旋翼，尺度较大，若测试7.5cm桨叶误差较大。

旋翼的俯仰运动目前国内外很少有这方面的研究，旋翼俯仰运动的概念源于扑翼飞行。目前国内外对微扑翼飞行器常采用压电驱动、电磁驱动、形状记忆合金驱动、人造肌肉驱动以及微马达驱动等。从平台的简易性、驱动频率高、可控性强等方面综合考虑，压电片作为旋翼的驱动结构是一种可行且被广泛采用的方式。以压电片作为驱动器运用到了压电材料的逆压电效应，即在压电片的极化方向施加电场时，压电片就会在一定方向产生机械变形或机械力。图1所示为一个压电双晶片一端固支约束，当施加一个电场，由于逆压电效应使上层压电片缩短，下层压电片伸长，则双晶片整体结构产生弯曲效应。

马里兰大学建立了直径22cm旋翼的扭转运动装置，该装置利用压电片的逆压电效应，两压电片正交放置。当压电片接通一定变化规律的压电时，压电片变形，带动旋翼产生扭转运动。通入电压大小不同，扭转角度不同，电压正负不同，扭转方向不同。旋翼的推进性能测试装置与上文相近。