理论前沿 | 室内多旋翼无人机飞行数据测控平台的研究
科技室内多旋翼无人机飞行数据测控平台的研究
在多旋翼无人机驱动控制系统飞速发展的今天，多旋翼无人机所能够承担的工作愈加繁复，其中绝大部分均是通过在无人机机身结构上安装附加测量仪器以实现相应的要求。此种做法改变了无人机原先的动力学系统，极易使得无人机在飞行过程中因控制算法与实际状况不匹配而坠毁。针对此状况，本文介绍了一款室内多旋翼无人机飞行数据测控平台及其使用方法，其结构简单，可有效避免无人机因设计或操作不当而损坏，并能够在室内通过模拟户外飞行时的环境状态，对于无人机的各项飞行参数进行测量。同时，本文对于无人机测量的构成及设备布局进行了简要介绍，并通过Ansys Fluent对环境风进行了流体仿真，确保了环境模拟系统设计的合理性。该平台可以用于组装无人机设计方案的可行性与稳定性测试。
检测参数的选定
小型多旋翼无人机是一种公认的“欠驱动、强耦合、多输入多输出”非线性系统。以常见的四轴无人机为例，其系统初始状态下仅有四个输入，即四轴的电机的旋转所带来的力与力矩；其输出则有6个，其分别为无人机质心相对于地球坐标系的位置以及相对于地球坐标系三轴的横滚角、俯仰角以及偏航角。考虑到无人机应当在测试时固定，故所选定的检测参数即为无人机的姿态角以及其在三维空间内各个方向分量上的拉力、升力大小。同时，若无人机驱动电机自带编码器，则应当同时对轴上各电机的转速进行测量。
检测参数的选定
室内多旋翼无人机飞行数据测控平台由数字传输设备、环境模拟设备以及力学测量设备构成。该系统以工业控制计算机为处理核心，使用时通过调整环境模拟设备的各项系统参数以模拟多旋翼无人机可能遇见的各类飞行环境，并在此环境下操作多旋翼无人机进行飞行，对多旋翼无人机在该环境下的飞行状况进行监测，最终通过汇总各项数据并进行分析，以不断修改并完善多旋翼无人机飞行控制系统中的各项环节设置以及多旋翼无人机的重量配置，进而使多旋翼无人机能够适应外加载荷对于该无人机动力系统所施加的干扰。
测量设备的构成
测量设备是室内多旋翼无人机飞行数据测控平台的核心，用于测量无人机飞行时三维空间内的姿态角以及其飞行的升力与拉力。
该测试设备的结构框架由欧标2020铝型材搭建而成，上下平面为铝合金板材，板材中心钻有通孔，用于嵌套内外环架与无人机固定底座。无人机固定底座下端设有滑轨，测试无人机可沿滑轨方向进行单自由度平行移动。在滑轨端部安装有拉压力传感器，其固定于无人机固定底座下端，并通过刚性杆件与无人机底部进行连接。测量设备下部设有压力传感器，当无人机飞行时，通过压力减少值计算得出无人机的升力大小。
在该测量设备中，无人机的固定底座应当设计为多孔结构，并尽可能减少其上下面表面积、增加开设通孔的数量及增大单个孔的孔径大小，以减小环境模拟系统所产生的纵向气流对于无人机室内飞行测试的影响。同时，为使得该类型测量设备能够适配多种多旋翼无人机，其内环的内径应当大于大多数多旋翼无人机的轴距与螺旋桨浆距之和一般为1000mm。
当无人机正确固定于固定底座，并进行室内飞行时，固定底座与无人机的横滚运动相同步，并通过编码器1测量多旋翼无人机的横滚角。固定底座同时带动内环进行与无人机俯仰运动相同步的转动，并通过编码器2测量无人机的俯仰运动的俯仰角。最终，内环带动外环进行偏航运动的同步转动，并通过编码器3测量出无人机的偏航角。通过此方式，可以测量出多旋翼无人机在飞行任意时刻的姿态角，并通过姿态角计算出多旋翼无人机在水平方向的分力大小。
环境模拟系统的构成
环境模拟系统是该系统的另一大重要组成部分，其主要用于模拟多旋翼无人机飞行的各项环境，包括但不限于风向、风力、天气条件等能够显著影响无人机飞行的参数。将无人机在此环境中进行飞行实验能够有效提升数据采集的精准度，并避免无人机的损坏。环境模拟装置安装在上文所述的固定结构周围，其包括：一是高功率大型外转子轴流风机：外转子轴流风机是环境模拟系统的核心，理想状态下能够沿布置在刚性框架周围的环形轨道进行旋转，并沿风扇横向调整其俯仰角，其理论风量以及风速足以模拟无人机日常飞行中所遇到的各类天气条件。
目前，共有三种类型的风机能够满足自然风的风量要求，其分别为离心式风机、大型轴流式风机以及风洞设备。其中，风洞设备通过风扇旋转或压缩机转子转动使风洞内的气流压力增高，以维持管道内气流的稳定流动，使得空气达到近似层流的状态。但是其制造与安装成本过高，所需能耗过大，故不适于中小型企业的日常研发或高等院校教师与学生的科研需求。同时，离心式风机通过叶片的高速旋转以增加气流的速度，在惯性的作用下提高能量，并沿半径方向离开叶轮旋转区域。该类型风机虽价格低廉，且输出气流为层流，但是其出口面积通常小于无人机迎风面积，无法完整模拟自然条件下多旋翼无人机的迎风飞行，故该型风机不适用于本系统。因此，综合考虑风机的安装成本及出风状况，该系统中的风机仅能选择轴流式风机。
经过Ansys Fluent有限元仿真可知，大型轴流风机所输出的气流为旋流，其旋转角度经气流流经距离不断减小，故可以将其定义为湍流，其流体状态与自然风的流体状态不同，故无法直接将其应用于环境模拟系统。因此，应当对轴流式风扇的出风口结构进行改进，以正确模拟自然风的层流状态。
针对上述问题，可以在距离轴流式风扇出风口一定距离安装一个具有一定宽度的多孔结构挡板，将风扇输出的旋转气流分割为有限个局部湍流，使经过挡板的气流在总体上表现为层流状态，进而实现多旋翼无人机飞行测试时对于流体的层流状态的要求。其有限元仿真流体迹线图，在该案例中，多孔结构中的孔为直径为20毫米圆形通孔，挡板宽度为300毫米。
二是风力测量设备：在环境模拟系统中，因轴流风扇经由多孔结构挡板所输出的流体状态为近似层流，与大气中气流流体状态相似，故选用气象用三杯一体式风速传感器。传感器置于不影响无人机机体进行姿态角变换的流场内部，并向地面控制计算机返回实时风速值，以及时调节大型轴流式风扇的风力大小。
飞行姿态捕捉
在本文所介绍的室内多旋翼无人机飞行数据测控平台中，飞行姿态捕捉通过高帧率工业相机实现。当测量设备中的编码器或拉力传感器检测出无人机在三维空间中的姿态角发生突变时，高帧率摄像机将会启动，以记录多旋翼无人机所发生的姿态变化，供测试人员修改无人机结构与飞行控制系统中的各项环节设置。在后续的过程中，可以使用数字孪生技术，通过对多旋翼无人机进行动力学数字建模，以实现对于无人机飞行姿态更精确、更完善的分析。
测控数据处理与控制程序
监测数据处理软件运行在地面控制计算器中，使用NET技术和Visual Studio 2017社区版编程环境进行编写，通过软件的方式较好地解决了测控数据之间的复合和分离问题。该数据处理与控制主要具有以下功能：
一是实时处理并记录多旋翼无人机的数传系统所发送的各项信息，其包括但不限于无人机在三维状态中的姿态角、各电机的转速以及拉、压力的读数。
二是控制环境模拟装置所产生的风力大小，并通过读取风力测量装置的反馈以对轴流式风扇的转速进行实时的调整。
三是测试并记录多旋翼无人机飞行时的危险阈值。当多旋翼无人机在飞行时三维空间内的姿态角以及拉力大小发生突变时，及时记录其发生突变时风力大小，以确定无人机飞行时所能够承受的风力最大值。
针对目前中小型多旋翼无人机试飞时所存在的缺陷，本文设计并提供了一种室内多旋翼无人机飞行数据测控平台。该平台以工业控制计算机为核心，通过模拟无人机实机飞行时的各类环境并进行室内试飞，以测量出多旋翼无人机的各项飞行数据，并有效避免无人机实地飞行测试过程中因为操作不当、配重不稳等问题致使无人机失稳。在后续的工作中，将会进一步拓展该测试平台的功能，使用数字孪生技术，建立无人机的动力学数字模型，用于克服摄像云台拍照角度固定、范围局限的缺点。同时，改进测量设备的机械结构，避免结构重量对于无人机的飞行数据采集产生负面影响。
本测控平台使得无人机飞行数据的收集工作变得相对简易，在提高联试效率，降低试验成本，节约研制时间等方面，均具有实际意义。其本身的设计思路对于同类型的测试系统研究也具有一定借鉴和参考意义。
主编；刘喜文
编辑：孔天坤
责编：郭超
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