微型固定翼无人机机电性能测试研究

郑 楠

（中煤第三建设<集团>有限责任公司，安徽 合肥 230001）

0 引言

固定翼无人机是无人机的一种，与旋翼式、扑翼式等无人机类型存在较大的区别。 本文主要针对机电性能进行测试。

1 材料与方法

1.1 测试材料与设备准备

（1）微型固定翼无人机：深圳市深凯建设机械有限公司生产的植保固定翼无人机U25L-4，产品特性为： ①机臂采用4.5 mm 加厚碳纤维+航空铝·地面站功能；超级抗摔·雾化效果好·可快拆机臂；②主要参数：飞机自重：16.6 kg；最大起飞重量：51 kg；展开尺寸：1 990 mm*1 990 mm*600 mm； 折叠尺寸：1 220 mm*1220 mm*600 mm； 最大飞行高度：30 m；最长飞行时间：25 min；最大飞行速度20 m/s；飞机机架最小寿命：10 年；空中悬停：可选择任意方位；安全起降最大风速：7 级； 动力系统：48V 动力聚合物锂电池；螺旋桨：折叠桨。

（2）其他设备及材料：①稳压电源；②风速测量仪；③电流传感器；④示波器；⑤笔记本电脑；⑥可用于无人机搭载的重物；⑦卷尺；⑧三脚架[1]。

1.2 测试方法设计与观察指标界定

当无人机处于正常飞行的状态时，不同的工作电流支持下，无人机向上的拉力、螺旋桨的转速、螺旋桨后的风速及风场等因素均会对无人机的飞行速度、稳定程度等造成影响。 除此之外，电源所剩电量、飞行期间其他模块的参数变化均会随着飞行时间的变化而出现波动。

本测验将飞行高度定为距离地面2 m， 目的在于更加直接地观察无人机的飞行状态。 有关工作电流与负载重物的设计如下：①最小工作电流3A，取最小有意义整数增加（1A），最大工作电流为12A，共计10 个区间段、10 个水平； ②最小负载重量为2 kg， 以1 kg逐渐向上增加，最大6 kg，共计6 个水平；③在工作电流发生变化时，将向上拉力、螺旋桨转速、电压、风速、风场等视为测试指标，加以记录并分析工作电流变化时，各项指标的动态变化规律[2]。

1.3 测试过程简述

电流的变化发生于无人机正常飞行期间，具体操作如下：

（1）在无人机处于稳定飞行的状态时，控制遥控器中的油门遥感，改变工作电流，负载重量既可以在飞行过程中通过“抛弃”的方式进行调整，也可以设置更多组别，在保证负载不变的情况下，仅仅针对电流的变化情况，记录向上拉力、螺旋桨转速等指标的变化情况。

（2）将搭载不同重量负载物时的各项飞行参数与未搭载负载物时的飞行参数进行对比，主要围绕负载重量对机翼的影响，探索二者之间的数学模型。

（3）使用Matlab 等软件建立数学模型，通过拟合计算的方式，找出理想值。

2 测试结果分析

2.1 微型固定翼无人机工作电流与拉力、转速测试结果

为了避免偶然结果对测试最终结果造成影响，故相同条件的飞行测试均进行3 次，在相关结果并未出现明显差异的情况下，计算出平均值，将之作为主要分析参数。 在空载状态下，调整工作电流，得出的结果如下：

（1）3 A：转速 3 700 r/min，向上拉力 0.5 N；

（2）4 A：4 500 r/min，1 N；

（3）5 A：5 300 r/min，1.8 N；

（4）6 A：5 700 r/min，1.9 N；

（5）7 A：6 300 r/min，2.5 N；

（6）8 A：6 700 r/min，3 N；

（7）9 A：6 900 r/min，3.5 N；

（8）10 A：7 000 r/min，3.7 N；

（9）11 A：7 200 r/min，4 N；

（10）12 A：7 500 r/min，4.2 N。

根据上述数据，将不同工作电流对向上拉力与电压转速的关系整理成下列拟合公式：

转速 r=2 935.2ln（I）+568.42 R2=0.995 9 （1）

向上拉力 F=2.614 3ln（I）-2.0514 R2=0.986 1 （2）

公式（1）、（2）中的各项参数为：F 指代向上拉力、r 指代螺旋桨转速、I 为工作电流（3～12 A）、R 为拟合系数。

综合而言，工作电流设定为3 A 时，固定翼无人机的螺旋桨转速以及向上拉力均处于最低水平；随着工作电流的增强， 转速和拉力整体出现提升的趋势；当工作电流达到8 A 后，两项指标的增长速度有所放缓；10 A～12 A 之间，两项参数仅仅出现微弱提升。 将公式（1）、（2）整合后，消除其中的工作电流 I，转换为螺旋桨转速与向上拉力之间的关系，结果为：

表明F 与r 之间是一种一次函数（直线）关系，即随着螺旋桨转速r 的提升， 固定翼无人机的向上拉力会逐渐增大。

2.2 不同荷载与固定翼变形测试结果

本研究从高度、变形角度两个方面测定无人机固定翼的变形程度，结果为：

（1）1 kg：变形高度 0.5 cm，变形角度 0.5°；

（2）2 kg：1.2 cm，1.4°；

（3）3 kg：1.6 cm，2.5°；

（4）4 kg：2.2 cm，3°；

（5）5 kg：2.6 cm,3.5°；

（6）6 kg：2.8 cm，3.8°。

由此可见，随着荷载重量的提升，无人机固定翼的变形高度及变形角度均会提升。

2.3 微型固定翼无人机工作电流与风场测试结果

2.3.1 工作电流及螺旋桨中心距离受风速影响的变化情况

固定翼无人机的工作电流、 螺旋桨中心距离、风速之间的变化关系为：

（1）当工作电流为10 A 时，距离螺旋桨中心30 cm 处的风速为16.23 m/s。

（2）控制工作电流减小至5 A 时，距离螺旋桨中心位置30 cm 处的风速为11.33 m/s。

（3）电流下降至4 A 以下时，距离螺旋桨中心位置30 cm 处的风速下降至10 m/s 以下，为8.14 m/s。

上述结果表明，随着工作电流的提升，螺旋桨转速增大， 带动距离螺旋桨中心位置10～30 cm 处的风速增大。

2.3.2 与螺旋桨平面平行的风场影响

上文2.3.1 仅仅选取距离螺旋桨中心位置30 cm处进行风速测试， 相关结果仅仅能够代表特定区域的风速变化情况，无法描述风场整体的变化情况。 因此，调整工作电流至10 A，使固定翼无人机飞行值距离地面2 m 的空中，保持悬停状态，对距离螺旋桨中心10 cm 与30 cm 处的风场进行测试，结果为：

（1）以螺旋桨中心区域作为圆心，向外扩散，在半径为5 cm 区域内的风速均超过15 m/s， 距离中心越远，风速越小。

（2）正对螺旋桨中心位置的风速并非最大值。

（3）距离螺旋桨中心位置距离越大，平行的风场风速会呈现整体性的降低。

3 结论

（1）微型固定翼无人机的工作电流增大，机身向上拉力及螺旋桨转速均会提升， 提升幅度在工作电流达到8 A 时开始降低，至10 A 之后较为平缓（但仍有提升）。

（2）植保固定翼无人机U25L-4 向上拉力与螺旋桨转速之间的关系为F=0.00091 r-1.96。

（3）随着荷载重量的提升，无人机固定翼的变形高度及变形角度均会提升。

（4）随着工作电流提升，平行方向的风场风速逐渐提高，但距离螺旋桨中心位置距离越大，平行方向风场风速会呈现整体性的降低趋势。