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无人机动力系统实践课程方案设计研究

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摘要:无人机动力系统实践课程是高校无人机专业教学的重要组成部分。通过设计无人机动力装置测试平台软硬件和配套实验课程,提出无人机动力系统实践课程的设计方案,旨在提高学生对无人机动力选型总体设计能力及实践动手能力,增加课堂深度并提高教学质量。

关键词:无人机;动力装置;测试平台;实践教学;实验室

1引言

近年来,各高校相继开设无人机系统工程专业,对无人机尤其是民用无人机的教学研究的投入也逐年增加。与传统开展的高等航空学科教育相比,无人机系统的教学更集聚理论性、技术性和实践性三个环节,任一环节脱节都可能造成学生理解困难或者眼高手低,从而无法满足课程或者学科的培养要求。因此,如何改进传统教学过程以适配日益进步的无人机系统技术,成为相关高校教师面前的难题。高校和学者针对无人机专业教学中理论和实践脱节的问题,一直在教学改革中不断摸索和探寻[1-2]。动力系统是民用无人机系统中理论深度较高的一个子系统,涉及的学科包含结构静力学、刚体动力学、空气动力学、电动力学、模拟电路、数字电路与信号处理等[3],学科理论的交叉融合给学生的学习理解和实践探索造成诸多困难。目前,在“民用无人机设计与实践入门”或类似课程中针对此子系统的传统教学中,较注重理论推导引出的抽象性结论,虽然辅以多媒体课件和教师板书讲解,但由于教学过程具有很强的主观性,再加上学生基本不具备无人机相关研发或从业经验,只能以想象、抽象的形式被动地接受知识点或结论,对知识的理解吸收程度普遍不高。对于无人机系统特别是民用无人机系统,实践不可脱节,于是部分改进后的课堂教学引入模型静态展示或者简单的动态展示,以教师在讲台上讲解演示、学生台下观察为主,学生只能感性地、片面地认识无人机动力系统的部分特征,教学效果有所改善,但还是不能满足要求。动力系统开放式实践教学成为无人机动力系统教学的重要补充。典型无人机的动力系统多为电动力驱动,部件较为简单且功率较小,若采取合适、安全的实践教学方法,在实验室以及教室内实践教学具有一定的可操作性。在课堂教学环节,教师若结合开放式、实践性的教学方案,能有效地为学生讲授无人机的动力系统。为了提高新型高等航空类学科的教学质量,本文通过配套测试软硬件和针对性的实验性课程,设计适合高校的无人机课堂实践方案。

2无人机动力装置测试平台与技术原理

一般地,无人机特别是民用无人机的使用与运营瓶颈较大部分归咎于续航时间,而基于任务导向的载荷、基于动力效率的搭配和现阶段的高能电池技术共同决定了续航时间,在任务载荷确定以及电池技术短期没有革命性发展的前提下,动力系统选型在无人机总体性能设计中是最为重要的环节之一[4-5]。其中,动力效率选型搭配试验类似于民航发动机的地面试车环节,不同的电动机、空气螺旋桨、驱动调速器以及电源参数的动力搭配能组合出不同的动力输出性能,以及各异的有效效率。如何在地面试车时得到满足无人机型号设计的动力输出(如拉力和扭矩等)和最优的动力输出效率,并结合课堂教学中的理论阐释,成为无人机设计教学的难点之一。动力选型不能只依靠理论和账面数据,因此在无人机总体性能设计中,无人机动力装置测试平台是不可或缺的设备[6-7]。针对无人机系统的教学特点,无人机动力装置授课团队研制出适用于普通教室或实验室的无人机动力装置测试平台。与其他设计研究不同的是,该测试平台采用简化设计,主要用于轻微型无人机动力装置的特性演示、部件级性能测试以及动力装置型号设计,适合课堂演示和实验教学,注重精准传感性能参数,是无人机系统教学的良好补充。其主要性能参数和状态参数包含拉力、反扭矩、转子温度、综合振动强度、螺旋桨转速、输入电流、输入电压、输入油门信号和输入变距信号,高阶解算参数包含螺旋桨力效、动力效率、螺旋桨输出功率和电机输入功率等,能基本涵盖典型无人机动力装置的所有性能特征。如图1所示,无人机动力装置测试平台的结构分为综合控制端和台架测试端两个部分。台架测试端主要用于固定动力装置和传感基础数据,由测试台架、通讯总线和用于测试的无人机动力装置组成。综合控制端主要功能是采集、计算、控制以及提供输入指令,下面介绍组成部件和功能。1)单片机最小系统由AVR型单片机处理器、外围电源和I/O口组成,用于接收和解算反馈信号,以及提供控制端信号,同时能将数据通过串口上传至上位机。2)拉力、反扭矩A/D模块将台架测试端回传的应变量模拟信号转化成数字信号,供处理器进行解算。3)转速是通过单位时间内采集扫略光电传感器的桨叶次数而获得,为了避免转速测量错误,需要手动拨动开关选择螺旋桨桨叶数量。4)油门、变距输入模块由调音台推子(滑动电位器)构成,通过模拟量函数映射获得相对应的输入信号。5)电源模块由转化插头和稳压器组成,为综合控制端和台架测试端提供弱电电源,以及为控制模块提供强电电源;控制模块综合强电电源和油门输入信号,为动力装置提供可控电压;电气传感模块用于反馈输入电压和输入电流。6)综合显示屏幕可随拨码开关选择,显示无人机动力装置的性能参数。7)通讯总线用于接收来自台架测试端的模拟、数字信号。如图2所示,台架测试端通过G型夹安装在普通桌面上,螺旋桨下洗气流与桌面保持平行,电机与专用电机座固连,然后和两条与电机旋转轴平行的应变梁a与b,以及一条与电机旋转轴垂直的应变梁c,通过紧固装置一同固连。应变梁a和b通过叠加应变量测得电机和螺旋桨旋转带来的反向扭矩,应变梁c直接通过应变测得拉力。其中应变梁在额定量程之内的应力与应变是线性关系。光电传感器在有障碍物遮挡时输出一个高电平,无遮挡时输出一个低电平,故当螺旋桨端部旋转扫略过光电传感器时,光电传感器将向控制台输出一个正向脉冲,处理器只需要对这些脉冲计数,就能得到螺旋桨转速。非接触式温度传感器采用红外温度遥感技术对转子温度进行监控测量,振动传感器位于台架结构的中部,对台架的振动加速度进行测量。

3无人机动力装置实验课程设计

无人机动力装置选型是无人机系统设计的难点之一,需要综合考虑任务需求和飞行器结构,涉及多种部件的性能掌握和参数选择。在传统选型环节教学或实验时,由于缺乏测试设备,学生多根据产品铭牌参数进行搭配选择,但经常面临诸多不确定因素:1)无人机动力装置部件的厂家往往夸大宣传,导致部件铭牌参数与实际性能存在较大脱节;2)电动机与螺旋桨有多种组合方式,厂家不能针对某种具体的电机和螺旋桨组合给出性能参数;3)搭配变距螺旋桨的动力装置适应多种工况,系统复杂数据量较大,需要自行实验测试。以上因素导致的性能不确定,使得教师在授课时只能将重点放在空洞的理论上,学生在实际动手时只能凭借猜测或经验,因此不能较好地进行动力选型实践。针对以上教学中出现的问题,结合测试平台软硬件,教学团队设计了无人机动力选型实验课。该课是“动力系统建模与性能估算”章节的配套实验课程,旨在使学生对动力装置及部附件有一个更为深入的特性掌握。实验课程开设在普通实验室,配备50A直流电源,静风条件良好。如图3所示,学生被分为2~3人的实验小组,在1~2个课时内,结合课堂所授理论知识,如图4所示,以多旋翼无人机悬停时间为设计目标,分别研究两个实验题目:1)学习使用测试平台,针对四组不同的电机—螺旋桨组合,根据记录表格开展实验并获取拉力、反扭矩、输入电流、输入功率和占空比等稳态参数,如图5(a)所示,并使用MATLAB等软件绘制插值曲线;2)根据上一个实验获取的数据和曲线,自由选择动力装置、无人机机身和任务载荷,自主查阅电池能量密度和放电倍率等参数,并绘制电池容量—悬停续航时间曲线,如图5(b)所示。在这两个实验题目中,前者更加基础,偏重于动力系统部件理论的复现和测试平台的使用,学生通过自己动手实验,摆脱对现成数据的依赖,实事求是地考察研究无人机动力装置,能更好地掌握性能特性。而后者在前者基础上,既考查了无人机动力选型的基本知识点,也考核了学生的总体设计能力,通过引入具体使用场景和任务需求,学生能灵活使用课堂所授理论,基于实际情况设计结果更能贴近实际。教学团队在课程开展中发现,测试平台使用简单高效,课程紧凑,内容丰富,学生兴趣高昂,课堂教学质量大幅提升。

4结语

本文以在高校开展的无人机系统类课程改进为研究方向,针对无人机动力装置课程,在现有理论授课的基础上,注重实践,注重加深课堂教学深度,提高教学质量,结合动力装置测试平台软硬件设计以及实践课程设计,提出一个无人机动力系统实践课程的设计方案,并在教学实践中取得良好的效果。

参考文献

[1]陈霖,周廷,刘占超.基于项目导向的《无人机系统》课程教学改革实践[J].教育现代化,2018(29):43-44.

[2]王刚,陈龙,薛远奎,等.四旋翼无人机控制理论与设计课程实践教学[J].实验科学与技术,2018(2):74-77.

[3]陶于金,李沛峰.无人机系统发展与关键技术综述[J].航空制造技术,2014(20):34-39.

[4]丁承君,王勇杰.旋翼无人机动力系统选型及测试方案[J].科技创新与应用,2017(6):89.

[5]韩睿,李微微,沈丹阳.基于不同外部环境和运载重量的无人机物流配送选型研究[J].空运商务,2017(12):51-55.

[7]禹勇,董凯,滕国飞,等.微小型无人机动力装置建模与仿真研究[J].信息通信,2016(5):4-6.

作者:安斯奇 侯宽新 单位:中国民用航空飞行学院

无人机动力系统实践课程方案设计研究责任编辑:张雨    阅读:人次