多旋翼无人机动力系统性能测试实验设计与分析

吴金宇，杨蕊姣

(中电科芜湖通用航空产业技术研究院限公司，安徽芜湖，241000)

0 引言

螺旋桨、电机、电调和锂电池构成了电动多旋翼无人机的动力系统，通过控制电机转速来实现无人机的六种飞行状态变化[1]。今年来发生无人机坠毁事件频繁发生，主要是由于对无人机的飞行性能不够了解，在使用时超出飞行时各项安全性能指标。故为了确定多旋翼无人机的安全飞行使用范围，需要在安装试飞前对进行特性测试与计算，以便使无人机能够进行安全高效率的飞行。目前，针对多旋翼无人机动力系统的研究内容较少，且测试方法简便，文献[2-4]中均通过电子秤或专用的显示仪器分别来测量无人机螺旋桨的转速、拉力和扭矩值，所测量数据需要手动记录，操作起来比较繁琐且效率过低。因此，设计开发完整的无人机动力系统特性测试实验系统具有一定的应用价值。本文所设计的实验系统可对螺旋桨的转速、拉力、扭矩、温度、电压、电流和PWM 等值进行同时测量，实现数据采集和保存，并根据测试数据计算出无人机的飞行性能。

1 多旋翼动力学模型

本文以四旋翼无人机为例建立其动力学模型，其结构模型如图1 所示，当无人机电机转速发生改变时螺旋桨升力和扭矩也随之发生改变。

对于X型无人机四个旋翼产生的拉力与无人机动力关系模型如下：

Ti为第i 个旋翼所产生的拉力（i=1、2、3、4）（N），FT为四个旋翼产生的拉力总和，Mφ、Mθ、Mψ分别代表无人机的滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩(N·m)；……