一种无人机实时拉力检测装置的制作方法

本实用新型涉及测力技术领域，具体而言，涉及一种无人机实时拉力检测装置。

背景技术：

空气螺旋桨作为无人机主要的推进方式，其工作状态下的效率，直接影响着无人机动力系统的效率，从而影响了无人机的续航时间。

传统的螺旋桨拉力测力装置，是通过将电动机和螺旋桨部分，直接与测力传感器进行连接，采用此类方案的典型专利有[CN201420711412-螺旋桨电机拉力测试装置-实用新型],[CN201620555138-一种无人机动力系统测试平台] 。该类方案的缺陷在于，由于螺旋桨转动过程中，不可避免地会产生系统抖动。由于动力部分与测力部分，刚性连接在一次，故高频震动直接传递到测力传感器上，从而影响测力的精度。另外，由于螺旋桨在转动时会产生巨大的反扭力，而这个反扭力又作用在力传感器上，势必会影响力传感器的检测精度，甚至在长时间的大扭力作用下，力传感器功能会失效。

现有专利 [CN201620556082-一种应用于无人机电机和旋翼上的动态拉力测试装置]采用精密滚珠滑块作为电机安装座，从而抵消电机和螺旋桨在工作时产生的反扭力，并在拉力的作用方向保持自由度。同时，也应当看到，该专利实质上是一种应用于无人机电机和旋翼上的地面动态拉力测试装置，本领域内技术人员周知，滑块滑轨结构质量大，仅通过该专利文件记载的内容，无法得到布置在无人机上，并在实际飞行过程中实时测力的装置。

需要特别指出的是，在[CN201620556082-一种应用于无人机电机和旋翼上的动态拉力测试装置]的专利中，虽然提到了固定座与拉力计之间用橡胶管连接的技术特征，但是，在该专利的说明书中，并无对该技术特征能够实现的技术效果及相应的技术原理进行有效清晰完整的阐述。因此，本领域内技术人员，仅通过阅读该专利公开内容，很难得到有关的技术启示。

另有[CN201710997476-一种无人机用螺旋桨动态拉力监测装置-申请公开]，提出了一种可以安装在无人机上，实现在真实飞行条件下，对螺旋桨的动态拉力进行实时检测的技术方案。其基本思路是在无人机上，布置至少三组的直线导轨及直线轴承，动力组可以沿着直线滑轨移动，抵消反扭力。

实际上，申请人早在该专利申请日之前，即进行了基于直线导轨方案的动态拉力测试方案的实物验证，并于2017年5月，在浙江省挑战杯的比赛现场进行了装置的公开展示，而在2017年10月，在中国国际飞行器设计挑战赛的科技创新评比现场也进行了该动态拉力测试方案的展示。

申请人在制造及测试的过程中发现，直线导轨式的动态拉力检测的方案，可以实现一定抗扭的功能，并限制螺旋桨及电机只沿机身轴向运动，但是，多根导轨的设计，结构强度并不高，由于单一杆件的截面小刚性不足，实际测试过程中，随着螺旋桨的转速增加，机头结构容易出现抖动，这是由直线导轨式的测力方案的固有局限性导致的。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种无人机实时拉力检测装置，能够直接安装在无人机上，动态采集到较为精确的螺旋桨实时拉力值，具有较高的可靠性和实用性。

本实用新型是这样来实现的：

一种无人机实时拉力检测装置：包括安装基座、第一固定套筒、第二固定套筒、电机安装座、拉力传感器、弹簧、电机、桨、姿态传感器；

其特征在于：

所述的安装基座固定在机身上，拉力传感器固定在安装基座上；

所述的第一固定套筒，固定在机身上；

所述的桨直接或通过中间级齿轮减速后与电机轴相连接；

所述的电机安装在电机安装座上，电机安装座安装在第二固定套筒上；

所述的第二固定套筒，内嵌或外嵌于第一固定套筒，实际工作过程中，两者可产生相对的滑动，第一固定套筒和第二固定套筒，整体形状为一柱形面，该柱形面的投影形状为除圆形外的任意封闭图形；

所述的弹簧一端与拉力传感器相连，另一端与电机安装座相连；

进一步地，所述的弹簧的劲度系数范围为0.2N/mm –5N/mm，申请人经过实践发现，当弹簧的劲度系数属于上述范围内时，减震效果较好，拉力检测得到的数值比较精确。

进一步地，所述的弹簧，关于拉力传感器的中心轴，对称分布，通过对称的布置，以避免由于拉力传感器测量方向不一致而导致的测量误差。

进一步的，所述的安装基座，设置有镂空孔，该镂空孔的设置，目的在于方便弹簧与拉力传感器的连接。为了获得更佳的结构强度，第一固定套筒与第二安装套筒一般不进行大面积的开孔处理，而第一固定套筒和第二固定套筒相互嵌套，给结构的装配造成了困难。通过在安装基座上设置镂空孔，可以在第一固定套筒与第二固定套筒组合好的情况下，实现弹簧与拉力传感器的安装连接，而不会对结构造成破坏。

进一步地，所述的第一固定套筒和第二固定套筒，壁厚小于2mm，无人机对飞行重量非常敏感，通过对材料厚度的限制，尽可能减少结构质量。

进一步地，所述的安装基座上，还设置有姿态传感器，其作用是通过对飞行器飞行姿态的检测，特别是俯仰角度的数值，对拉力传感器测得的数值进行校准，消除重力沿机身轴向分量的影响，得到更为精确的拉力值。

进一步地，所述的第一固定套筒和第二固定套筒，实际工作过程中，最大的相对位移距离，不超过三倍的电机定子直径，改为：测力装置处于最大量程时，相对位移距离，为0.2-3倍的电机定子直径，这是因为，若弹簧刚度过大，则起不到有效的缓冲减震的效果，而如果弹簧的刚度过小，相对位移过大，必然导致第一固定套筒和第二固定套筒长度增加，继而影响结构的强度。

有益的技术效果

本实用新型提供的无人机实时拉力检测装置，活动部件少，结构合理，套筒式的设计，使电机安装座所在的第二固定套筒和安装基座所在的第一安装套筒沿着螺旋桨拉力线的方向滑动，同时，对套筒的截面形状进行限制，除了标准圆形以外的封闭曲线，均能够实现第一固定套筒和第二固定套筒不发生相对转动的技术效果。

同时，在拉力传感器与电机安装座之间，使用合适刚度的减震弹簧弹性连接。之所以采用弹簧作为弹性部件，是因为常见的弹性材料，如橡胶管，容易老化，且弹性系数，因为产品的不同而具有较大的差异性，弹簧，制作过程比较标准，相应的技术参数也比较规范，本设计中为了实现更好的减震效果及考虑维修时候替换的可行性和便利性，所以采用弹簧作为缓冲减震的材料，工作过程中，由于电机安装座上安装有电机，而电机在旋转的螺旋桨的带动下，会产生往前的拉力，由于拉力传感器与电机安装座之间是弹性连接的，所以，在拉力的作用下，第二安装套筒，会相对于第一安装套筒，产生沿拉力方向的滑动，拉力越大，形变量越大。由于弹簧受力，两端的力等大反向，所以，只要初始时刻对拉力传感器进行置零操作，那么无论弹簧被拉伸至何种位置，拉力传感器上测得的值即实时的拉力值。

因为减震弹簧的存在，受拉情况下，第二安装套筒相对于第一安装套筒，会发生比较大的位移，而由于螺旋桨旋转产生的震动为周期性的高频抖动，这会带动电机安装座，也就是第二安装套筒在拉力方向上小范围内的高频抖动，由于该范围，远小于第二安装套筒相对于第一安装套筒位移的距离，因此，对于拉力传感器，测量得到的数据影响并不大。相成对比的是，如果采用电机安装座与拉力传感器固定连接的方式，那么，该高频抖动会由于大的惯性，而造成拉力传感器大的检测误差。

换一种解释方法，电机安装座的旋转，其实是动量传递的一种表现。由于P=F×t，当拉力传感器和电机安装座之间，存在弹簧的时候，由于弹簧的形变需要时间，使t变大，由于P一定，所以，F变小了，具体表现出来就是实际的抖动变小了，这也是弹簧能够发挥减震缓冲减震的原理。而当拉力传感器于电机安装座固连的时候，力的传递几乎发生在一瞬间，t趋向于无穷小，此时，F很大，表现为抖动增加，这是实际测试过程中所不希望看到的。

综上，弹簧的设置，在物理结构上，实现了缓冲减震的效果，而第一安装套筒与第二安装套筒间，由于材料之间面接触，虽然领域内技术人员周知，可以通过添加液体或固体润滑剂，来减少滑动摩擦系数，但是，受限于目前的加工水平及材料的特性，两者相对滑动，必然存在着一种阻碍其相对滑动摩擦力，在本设计中，充分利用这种摩擦力，配合弹簧的设计，再增加了阻尼的效果，使减震的效果得到了进一步的增强。

而本实用新型提出的一种无人机实时拉力检测方法，配合硬件，提供了一种可靠，可行，精确的实时拉力测试方法，又借助姿态传感器获得姿态数据，对实际的拉力值进行了修正，消除了推进系统重力沿轴向的分力的影响。

有关该减震原理更为详细的说明，及实际的测试数据，将在具体实施例中予以呈现。

附图说明

图1：本实用新型无人机实时拉力检测装置的总体结构图；

图2：本实用新型无人机实时拉力检测装置的安装基座细节图；

图3：本实用新型无人机实时拉力检测装置的套筒截面形状的举例；

图4：本实用新型无人机实时拉力检测装置未加减震弹簧前的数据波动情况；

图5：本实用新型无人机实时拉力检测装置的加了合适劲度系数的减震弹簧的数据波动情况；

图6：本实用新型无人机实时拉力检测装置的采用了过小劲度系数弹簧的数据波动情况；

图7：本实用新型无人机实时拉力检测装置的具体实施例中弹簧隔振率与实际拉力之间的关系曲线。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型无人机实时拉力检测装置，包括安装基座1、第一固定套筒21、第二固定套筒22、电机安装座3、拉力传感器4、弹簧5、电机6、桨7、姿态传感器41；

所述的安装基座1固定在机身上，拉力传感器4固定在安装基座1上；

图2给出了具体实施例中的安装基座1放大图；

所述的第一固定套筒21，固定在机身上；

所述的桨7直接或通过中间级齿轮传动后与电机轴相连接；

所述的电机安装在电机安装座3上，电机安装座3安装在第二固定套筒22上；

所述的第二固定套筒22，内嵌或外嵌于第一固定套筒21，实际工作过程中，两者可产生相对的滑动，第一固定套筒21和第二固定套筒22，整体形状为一柱形面，该柱形面的投影形状为除圆形外的任意封闭图形；

本实施例中，为了更清晰地说明内部的结构，对其中一个面进行了大面积镂空的操作，实际套筒多为封闭体以确保强度；第一固定套筒21和第二固定套筒22的截面为矩形，以匹配原机身形状，该形状可如图3的a所示，另外，按照本实用新型的思想，除圆以外的任一形状均可视为本实用新型保护的对象，如图3的b-i，给出了相应具有代表性的形状。

图3则给出了符合本实用新型思想的一些套筒截面的形状举例，通过形状举例可以了解到，只要是非圆形的截面，都能达到防止套筒之间发生相互转动的效果。

所述的弹簧5一端与拉力传感器4相连，另一端与电机安装座3相连；

本实施例中，弹簧5一端与第一安装板粘接在一起，而第一安装板通过螺丝，固定到拉力传感器4上，以实现方便拆卸的目的，所述方案为对弹簧5一端的处理。

图4给出了未加减震弹簧前的数据波动情况；

图5给出了加了合适劲度系数的减震弹簧的数据波动情况；

图6给出了采用了过小劲度系数弹簧的数据波动情况。

综合分析上述三幅图，不难发现，图4中，未加减震弹簧前，数据波动较大，主要是因为推进系统的高频震动直接传递给了拉力传感器，而导致拉力值的测量不准；图5中，因为设置了合适劲度系数的减震弹簧，所以数据的波动的情况有了明显的改善；而图6中，数据的波动程度又一次变大了，但此时，采用的是劲度系数过小的减震弹簧，理论上的减震效果应该是最好的，但是，但是由于劲度系数过小，自由行程增加，造成结构强度不高，继而引起了数据的波动。所以在本实用新型中，对弹簧的劲度系数作了限定，以获得更好的减震效果。

进一步地，所述的弹簧5的劲度系数范围为0.2N/mm –5N/mm，申请人经过实践发现，当弹簧5的劲度系数属于上述范围内时，减震效果较好，拉力检测得到的数值比较精确。

在本实施中，采用的弹簧的劲度系数为1N/mm，而静止状态下，机头推进系统的重量为0.4kg，相应的计算及测试结果表明，该状态下，弹簧的固有频率约为7.8Hz，当螺旋桨的转速大于2000 r/min时，系统的隔振率保持在95%以上，而当转速大于1600r/min时，系统的隔振率在90%以上。

如图7 ，则给出了在上述条件下，具体实施例中弹簧隔振率与实际拉力之间的关系曲线（拉力与螺旋桨转速的平方呈正比）。

进一步地，所述的弹簧5，关于拉力传感器4的中心轴，对称分布，通过对称的布置，以避免由于拉力传感器4测量方向不一致而导致的测量误差。

本实施例中，采用了单个弹簧5，所以，按照本实用新型对称布置的指导思想，弹簧5的轴线与拉力传感器4的中心轴共线；而若采用多个弹簧5，则可将其余弹簧5对称布置在拉力传感器4的中心轴异侧。

进一步地，所述的第一固定套筒21和第二固定套筒22，壁厚小于2mm，无人机对飞行重量非常敏感，通过对材料厚度的限制，尽可能减少结构质量。

本实施例中，第一固定套筒21和第二固定套筒22，采用的是0.5mm厚度的碳纤维面板材料，并且在两固定套筒接触的面，设置有润滑材料以降低滑动摩擦阻力，提高测量精度。

进一步地，所述的安装基座1上，还设置有姿态传感器，其作用是通过对飞行器飞行姿态的检测，特别是俯仰角度的数值，对拉力传感器4测得的数值进行校准，消除重力沿机身轴向分量的影响，得到更为精确的拉力值。

进一步地，所述的第一固定套筒21和第二固定套筒22，实际工作过程中，最大的相对位移距离，不超过三倍的电机定子直径，改为：测力装置处于最大量程时，相对位移距离，为0.2-3倍的电机定子直径，这是因为，若弹簧5刚度过大，则起不到有效的缓冲减震的效果，而如果弹簧5的刚度过小，相对位移过大，必然导致第一固定套筒21和第二固定套筒22长度增加，继而影响结构的强度。

在本实施例中，电机的定子直径为28mm，动力系统的最大拉力约为2800g，对应，当测力装置处于最大量程时，相对位移距离为28mm，即1倍的电机定子直径。

申请人在本实施例的基础上，进行了数据准确性的测试，对比分析表明，发现在拉力传感器和电机安装座之间设置恰当劲度系数的弹簧，可以得到良好的减振效果，可由具体实施例中弹簧隔振率与实际拉力之间的关系曲线看出，在系统正常工作区间（拉力大于500g）时，弹簧的隔振率在90%以上。

由材料力学知识可知，采用相同材料的实心杆和空心杆，在截面面积相同的情况下，由于空心杆惯性矩大于实心杆，所以空心杆的刚度更佳。将此原理放到本设计中，即相比较对比专利，采用四根直线实心轴作为直线导轨的设计，在本实用新型中，采用的套筒设计，有利于提高结构体的整体刚度，即在满足结构强度的前提下，尽可能的减轻结构质量。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。