一种无人飞行器测试台及其测试方法与流程

本发明属于无人飞行器测试领域，特别是涉及一种无人飞行器测试台及其测试方法。

背景技术：

近年来，无人机(UAV，Unmanned Aerial Vehicle)技术及其应用飞速发展，尤其是旋翼无人机在众多无人机种类中犹如一颗闪亮的新星异军突起，快速占领了消费级和工业级无人机市场。旋翼无人机主要是依靠航模电机转动，带动螺旋桨的旋转，从而为无人机提供向上的升力；同时航模电机之间的差速可以实现无人机的变向。航模电机特性的好坏与螺旋桨的升力特性对于无人机的负载以及控制有着密切的影响。很大程度上，无人机的载重比与功率密度取决于航模电机特性的好坏，因此，我们需要非常清楚的知道航模电机的特性和螺旋桨的升力特性，尤其是在设计无人机过程中。

在设计无人机或者其他需要电机的装置时，我们需要非常清楚电机的特性。虽然电机厂家会有自己电机特性的资料，但是厂家提供的资料与实测值还是会一些不同。因此在实际使用电机时，我们需要对电机特性进行测试。另一方面，我们也需要对螺旋桨的升力特性进行测试。在无人机的设计中，一股是电机和螺旋桨是配合使用的，需要对电机和螺旋桨的特性一起进行测试，主要是测试电机转速，螺旋桨升力以及电机的反扭矩这三个重要的参数。然而现状是旋翼无人机出现才没多久，目前还没有一个可以同时测量这三种特性的实验台，或者是试验台机械结构比较笨重，存在升力的测试与电机反扭矩的测试相互影响的弊端，导致测量结果不准确。

专利文献CN205045010U公开了一种多旋翼无人飞行器性能测试平台包括底座、立柱、顶架、性能测试仪器和计算处理中心，此外还包括环绕在四周的外部围网；其中：所述立柱的底部通过球头万向轴承连接在底座上，该立柱的顶部通过球头万向轴承连接在顶架上；所述顶架通过弹性拉索悬挂在外部刚性体上；所述多旋翼无人飞行器的机架上设有套环，该套环套在所述立柱上形成滑动结构；所述外部围网包括围网支架和柔性织网；所述性能测试仪器包括设置在多旋翼无人飞行器上的用于测量多旋翼无人飞行器飞行姿态信息及工况信息的机上测试仪器，以及设置在所述测试平台上的用于测量多旋翼无人飞行器的外部响应信息的地面测试仪器；其中，所述机上测试仪器包括运动姿态传感器及工况传感器；所述地面测试仪器包括电流传感器、拉力传感器、测距传感器、水平仪以及影像设备，其中，所述电流传感器用于测量多旋翼无人飞行器电控系统的工作电流，该电流传感器设置在电源供电线路中；所述拉力传感器用于测量多旋翼无人飞行器的升力，该拉力传感器的下端连接在底座上，上端连接在多旋翼无人飞行器的机身上；所述测距传感器用于测量多旋翼无人飞行器的飞行高度，该测距传感器设置于底座上；所述水平仪用于测量平台的水平情况，该水平仪设置于底座水平面上；所述影像设备用于摄制测试过程并记录多旋翼无人飞行器各关键部件的热像，该影像设置于外部围网支架上；所述计算处理中心包括数据采集单元和数据分析单元，数据采集单元用于将性能测试仪器中采集到的测试信号发送给数据分析单元；所述数据分析单元用于根据数据采集单元获取的测试信号进行运算和存储，获得多旋翼无人飞行器性能测试结果。该专利利用性能测试仪器对测试状态下的各个参数进行检测。但该专利无法获得特性曲线，且结构复杂，部件多且占用空间大，测试效率和精度低、安装不具备多样性，应用范围小。

专利文献CN203845025U公开的一种无人机动力测试系统包括一个长方体状的型材架(1)、电源、数据采集卡和pc机，型材架(1)内沿长度方向设置垂直于型材架(1)底面的矩形测试平台(2)，测试平台(2)的一侧边固定在型材架(1)的左端面的中心线处，所述测试平台(2)上设置至少一个直线轴承(3)，直线轴承(3)内设置有压/拉力传感器，直线轴承(3)内连接有圆柱轴(4)，所述圆柱轴(4)端部的直线轴承(3)上横向固定设置电机，电机的转轴上连接转接轴、转接轴的末端与圆柱轴(4)的端部固定连接，圆柱轴(4)的端部设置桨叶(5)，所述桨叶(5)上设置转速传感器，数据采集卡的信号采集端分别与压/拉力传感器和转速传感器的信号输出端电连接，数据采集卡通过串行口连接pc机，所述电源为pc机、数据采集卡、电机供电。该专利测试无人机动力系统在不同转速控制信号范围下的拉力、转速、电流，但该专利无法获得特性曲线，且结构复杂，部件多且占用空间大，测试效率和精度低、安装不具备多样性，应用范围小。

专利文献CN102288912A公开了一种电动动力测试平台包括拉力-扭矩机械分离机构(1)，用于承载待测电机(9)的载荷和将扭矩和拉力解耦；传感器测量系统(2)，用于将包括拉力和扭矩的物理量转换为易于测量的模拟电信号；仪表显示系统(3)，用于将所述模拟电信号转化为数字量；数据采集系统(4)，将所述电动动力测试平台的测量数据提供给微型计算机，进行采集和记录。该专利无法获得特性曲线，且结构复杂，部件多且占用空间大，测试效率和精度低、安装不具备多样性，应用范围小。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种无人飞行器测试台，该无人飞行器测试台结构简单，设计合理，能够同时有效的测量电机转速，旋翼升力以及电机的扭矩三个参数。同时采用精巧的机械结构，可以有效的消除扭矩测量对升力测试的影响。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

根据本发明的一方面，一种无人飞行器测试台包括固定底座、导轴、双法兰结构、法兰环、电机安装基座、电机、旋翼、力传感器、速度传感器和扭矩传感器。双法兰结构包括上法兰和下法兰，所述上法兰固定连接所述下法兰；电机安装基座包括电机安装下基座和电机安装上基座，电机安装上基座固定在电机安装下基座上，旋翼与电机固定连接；导轴的下端竖直地固定在底座上，导轴上端经由螺母固定连接法兰环，速度传感器经由L型构件固定在法兰环上；双法兰结构固定连接在所述导轴上，直线轴承经由卡套均匀分布地固定在双法兰结构中；力传感器一端固定连接在所述固定底座，另一端固定连接在下法兰上；电机固定连接在电机安装上基座，扭矩传感器的上端固定在电机安装下基座，扭矩传感器的下端固定连接在上法兰上；所述力传感器、速度传感器和扭矩传感器分别测量无人飞行器的旋翼的升力、速度和电机的扭矩。

优选地，所述力传感器、速度传感器和扭矩传感器测量并发送旋翼的升力、速度和电机的扭矩到上位机，所述上位机计算并显示无人飞行器的旋翼的升力与速度关系曲线、电机的扭矩与速度关系曲线。

优选地，下法兰和上法兰分别均布有通孔，铝柱穿过所述通孔且由六角螺栓锁定以固定连接上法兰和下法兰。这方便连接拉压力传感器与扭矩传感器，同时在保证整体强度的同时，减轻整个机构的质量。

优选地，导轴的外圆与直线轴承的内孔间隙配合使得直线轴承与导轴组成滑动副结构。其中，间隙为0.05mm-0.1mm，这样可以保证结构的稳定性。每个直线轴承利用外卡簧在轴承的轴向方向进行定位。

优选地，电机安装下基座和电机安装上基座配合形成电机可拆卸式结构。通过拆卸螺栓可以实现电机安装上基座的方便拆卸。

优选地，所述上位机为PC机或处理器，所述处理器包括通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路ASIC，现场可编程门阵列FPGA、模拟电路、数字电路及其组合。

优选地，速度传感器通过双螺母固定连接在L型构件上，所述双螺母分别调节速度传感器在竖直方向上的高度和在水平方向上与电机的距离。这有利于调节传感器与电机外侧的距离。

优选地，所述扭矩传感器为双法兰式扭矩传感器，采用双法兰式结构的扭矩传感器，有利于传感器的安装。所述电机为永磁直流无刷电机，所述力传感器为拉杆式拉压力传感器，拉杆式拉压力传感器的拉杆式结构的两端为带有螺纹的螺柱，可以方便安装。所述速度传感器为光电感应传感器。

优选地，所述力传感器与扭矩传感器中心轴线共线且垂直于速度传感器。

根据本发明的另一方面，一种使用所述的无人飞行器测试台的测试方法包括以下步骤。

第一步骤中，无人飞行器测试台初始化，启动电机驱动旋翼旋转。

第二步骤中，所述力传感器、速度传感器和扭矩传感器分别测量无人飞行器的旋翼的升力、速度和无人飞行器的电机的扭矩且发送到上位机。

第三步骤中，所述上位机计算并显示无人飞行器的旋翼的升力与速度关系曲线、电机的扭矩与速度关系曲线。

本发明的无人飞行器测试台真实模拟无人飞行器正常工作状态，可进行无人飞行器电机特性测试，可以有效的进行测试，具有开发时间短，成本低等特点。

本发明相对于现有技术，无人飞行器测试台具有以下特点：(1)可同时测量电机的转速和扭矩以及旋翼升力的大小，体积小，结构紧凑；(2)采用双法兰结构与直线轴承结合的机械结构，可以有效消除电机反扭矩测量对于旋翼升力测量的影响，提高测量精度；(3)采用双法兰盘式结构，显著提高整个测试试验台的稳定性；(4)安装方式多样性，可以水平安装也可以垂直安装；(5)该测试台可适合多种不同型号的电机测试，具有适用范围广的特点。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了，说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件；

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的无人飞行器测试台的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的无人飞行器测试台的测试方法的步骤示意图；

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一股原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

图1为本发明的一个实施例的无人飞行器测试台的结构示意图，本发明实施例将结合图1进行具体说明。

如图1所示，本发明的一个实施例提供了一种无人飞行器测试台，无人飞行器测试台包括固定底座1、导轴4、双法兰结构、法兰环6、电机安装基座、电机17、旋翼18、力传感器13、速度传感器8和扭矩传感器14，双法兰结构包括上法兰3和下法兰2，所述上法兰3固定连接所述下法兰2，电机安装基座包括电机安装下基座15和电机安装上基座16，电机安装上基座16固定在电机安装下基座15上，旋翼18与电机17固定连接，导轴4的下端竖直地固定在底座1上，导轴4上端经由螺母5固定连接法兰环6，速度传感器8经由L型构件7固定在法兰环6上，双法兰结构固定连接在所述导轴4上，直线轴承13经由卡套均匀分布地固定在双法兰结构中，力传感器9一端固定连接在所述固定底座1，另一端固定连接在下法兰2上；电机17固定连接在电机安装上基座16，扭矩传感器14的上端固定在电机安装下基座15，扭矩传感器14的下端固定连接在上法兰3上；所述力传感器9、速度传感器8和扭矩传感器14分别测量无人飞行器的旋翼18的升力、速度和电机17的扭矩。

实施例中，无人飞行器简称“无人机”，英文缩写为“UAV”(unmanned aerial vehicle)，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。从技术角度定义可以分为：无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机等。

本发明实施例中优选的无人飞行器为多旋翼无人飞行器，多旋翼无人飞行器可以是四旋翼、六旋翼及旋翼数量大于六的无人飞行器。本发明技术方案采用的无人飞行器主要是指小、微型多旋翼无人飞行器，这种无人飞行器体积小、成本低、飞行稳定性较好，飞行成本低等。本发明使用的飞行器，典型的以四轴多旋翼飞行器为代表。

在一个实施例中，所述力传感器9、速度传感器8和扭矩传感器14测量并发送旋翼18的升力、速度和电机17的扭矩到上位机，所述上位机计算并显示无人飞行器的旋翼18的升力与速度关系曲线、电机12的扭矩与速度关系曲线。升力与速度关系曲线、电机的反扭矩与速度关系曲线是无人飞行器测试中的重要特性参数，通过这些曲线真实有效地模拟无人飞行器正常工作的状态。

在一个实施例中，所述上位机为PC机或处理器，所述处理器包括通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路ASIC，现场可编程门阵列FPGA、模拟电路、数字电路及其组合。进一步地，所述处理器包括存储器，存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器。存储器可以包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器、电子可擦除可编程只读存储器EEPROM或其它类型的存储器。

在一个实施例中，下法兰2和上法兰3分别均布有通孔，铝柱12穿过所述通孔且由六角螺栓10、11锁定以固定连接上法兰3和下法兰2。

在一个实施例中，导轴4的外圆与直线轴承13的内孔间隙配合使得直线轴承13与导轴4组成滑动副结构。

在一个实施例中，电机安装下基座15和电机安装上基座16配合形成电机可拆卸式结构。

在一个实施例中，速度传感器8通过双螺母固定连接在L型构件7上，所述双螺母分别调节速度传感器8在竖直方向上的高度和在水平方向上与电机17的距离。

在一个实施例中，所述扭矩传感器14为双法兰式扭矩传感器，所述电机17为永磁直流无刷电机，永磁直流无刷电机功率密度比较大，所述力传感器9为拉杆式拉压力传感器，所述速度传感器8为光电感应传感器。

在一个实施例中，所述力传感器9与扭矩传感器14中心轴线共线且垂直于速度传感器8。

作为优选，无人飞行器测试台采用铝型材制作，具有质量轻、结构坚固的特点。

本发明实施例中优选的是，固定底座1可安装在承载机构上，拉杆拉压力传感器一端螺柱通过螺纹孔与固定底座1相连接，另一端螺柱与下法兰2连接并用螺母固定；上法兰3与下法兰2配合6个铝柱进行固定连接，形成双法兰结构，同时4个直线轴承13利用卡套均匀分布固定在双法兰结构之间；导轴4与直线轴承配合，其下端螺纹部分和上端螺纹部分分别连接在固定底座和法兰环6上，并用螺母进行固定；双法兰式扭矩传感器下法兰与上法兰的上平面配合，并利用螺栓进行固定；双法兰式扭矩传感器的上法兰结构与电机安装下基座15配合，螺栓连接进行固定；电机安装上基座16固定在电机安装下基座15上；电机安装上基座16利用螺纹孔与电机17固定连接；螺旋桨与电机固定连接；光电感应传感器8与L型构件7配合安装，固定于法兰环6上平面。

本发明实施例中优选的是，双法兰结构由下法兰2、上法兰3和铝柱12这几个零件组成。下法兰2和上法兰3结构一样，分别均布有6个通孔，6个铝柱分别与对应的通孔配合并用螺栓固定连接，从而形成双法兰结构。导轴4外圆与直线轴承13内孔间隙配合，在轴向可任意滑动；直线轴承13外圆与双法兰结构上对应的孔进行间隙配合，每个直线轴承利用外卡簧在轴承的轴向方向进行定位。

本发明实施例中优选的是，法兰环6通过四根导轴4与安装固定底座1固定连接，导轴4上下两端均有螺纹，下端直接与安装固定底座1上的孔固定连接，上端通过上下两个螺母5将法兰环固定，形成外围空间立体柱式安装支架结构；通过调节双螺母可以调节法兰环5在竖直方向的位置，从而可以达到调节光电感应传感器相对于电机的位置。法兰环6的内环与双法兰式扭矩传感器上法兰的外圆为间隙配合，其中间隙为0.05mm-0.1mm。这样可以保证结构的稳定性。电机安装下基座15和电机安装上基座16通过螺栓连接，可方便拆卸。

本发明实施例中优选的是，T型传感器位置可调结构连接方式为光电感应传感器自身带有螺纹，光电感应传感器通过双螺母固定连接在L型构件7上；利用两个螺母将其与通过调节双螺母，可以分别调节光电感应传感器在竖直方向上的高度和与电机在水平方向的距离。

本发明不局限于上文默认的竖直安装方式，同时整个测试台也可以固定在竖直的工作台面上，安装方式灵活多样。

参见图2，根据本发明一个实施例的使用所述的无人飞行器测试台的测试方法包括以下步骤。

第一步骤S1中，无人飞行器测试台初始化，启动电机17驱动旋翼18旋转。

第二步骤S2中，所述力传感器9、速度传感器8和扭矩传感器14分别测量无人飞行器的旋翼18的升力、速度和无人飞行器的电机17的扭矩且发送到上位机6。

第三步骤S3中，所述上位机6计算并显示无人飞行器的旋翼18的升力与速度关系曲线、电机17的扭矩与速度关系曲线。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。