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1000HZ高频!无人机动力测试
时间 : 2021-03-17
发布者 : 王志啸
浏览次数 : 237次

在测试过程中,电机与螺旋桨在1/1000秒内

都干了什么?


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为什么要了解电机与螺旋桨1/1000秒的数据呢?


众所周知,要开发一款性能好的飞行器,需要进行大量的建模分析和风洞实验,但是碍于建模的技术难度和高昂的研发测试成本,一些企业会选择“捷径”,这为后面飞行器试飞及量产埋下了巨大的隐患,这也是一些无人机频频炸机的原因。


针对无人机动力系统建模,北航可靠飞行控制研究组提出了一套完整的建模方案,建立了线上无人机仿真平台(https://rflysim.com/zh/),进行初步的飞行测评。

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图1 北航可靠飞行控制研究组建模设计界面


想要对无人机进行完整的仿真分析,惯导的性能、GPS的精度、动力系统的响应性能都是必不可少的数据。关于惯导和GPS的各项参数一些厂家已经给出了明确的响应速度及精度,但是却很少有厂家对动力系统的控制阻尼、阶跃响应性能、转矩控制能力等测试数据进行测试标定。如果没有这些数据,我们又如何去建立一个精准的模型的呢?


对动力系统进行全面的建模分析,传统的动力测试台已经满足不了测试需求,针对无人机动力测试,灵翼飞航推出了全新的测试方案——1000HZ高频动态测试系统!


下面我们来看看,电机与螺旋桨在1/1000秒内都干了什么?


五大全新测试模式


  • 定频正弦波测试

  • 正弦波扫频测试

  • 阶跃测试

  • 半波定频测试

  • 线性测试

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图2 正弦波扫频测试


在这五种模式中,用户可根据自己的需求来测试动力系统的响应性能,特别是在时间轴下可以直观的看到拉力/扭矩随油门变化的关系,这对我们的建模起到了关键的作用。为无人机的PID设置带来了强有力的依据,研发人员可根据动力系统的动态响应特征,拉力/扭矩的变化来分析无人机的油门PID算法,对无人机基础理论设计有质的飞跃。


近乎完美的仿真实验分析

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图3实验图例


通过1:1变化率的400HZ高动态输出(油门PWM频率400HZ,油门输出变化率400HZ),可以将飞控数据导入测试系统中,对飞行实验进行模拟。特别是对某些特定驱动状态下的测试,只要将当时的信号输入测试台中,我们就可以复现当时的情况,是真正的“黑匣子”。


状态监控利器

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图4 测试样例图


动力系统的动态扰动(风的扰动、紊流、风切变等)、自身加速度扰动,都会对我们的内外环控制产生影响,特别是我们在仿真时建立的风扰模型,如果没有动力模型响应特性及转矩特性作为输入特性,又如何能获得精确的建模结果呢?在传统无人机动力测试台架中,我们做了滤波处理,防止小的扰动对测试结果产生影响,而1000HZ高频动态测试系统保留了所有的原始数据,对扰动值,包括动力系统的震动幅度,都进行了原始的记录,对任何力的变化都进行了捕捉,最大化的复现1/1000秒内的变化


实验案例一:方波阶跃测试


选用动力组基本参数


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方波阶跃测试(0%-100%,10%阶跃)


测试内容:油门输入从0%-100%阶跃递增,到达100%后阶跃递减,测试不同油门位置加减速的动态特性,得到对应的输出推力曲线及数据。

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图5 方波阶跃测试


方波阶跃测试分析


选取40%-50%阶跃情况来分析:

从图上的趋势及数据分析我们可以得到:(数据量太大,这里省去数据处理的过程,这里电流和扭矩的曲线趋势几乎相同,拉力与转速的关系也相同,为了图表显示清晰未列出)

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图6 阶跃测试分析


T1初始反应时间=19ms

T2加力时间*=45ms

T3初稳定时间=139ms

T4超稳定时间*=82ms

初稳定时间=T1+T2+T3=203ms

超稳定时间=T1+T2+T3+T4=285ms


从该结果来看,目前一般厂商所标称的0.2秒反应时间确实是小电机的一般反应时间。从阶跃测试可以看出动力系统从收到信号到稳态的最终过程一共用了285ms,而不同油门下的阶跃,其t2,t3,t4可能完全不同,这就更值得我们去实验和分析。

*1备注:加力时间指的是动力系统加速度从0到最大值的时间

*2备注:超稳定是各参数均到达平稳的状态


实验案例二:正弦扫频测试


正弦扫频测试-油门变化趋势


正弦扫频测试(55%-65%变化率)

取t=10s,引导时间0-55%油门时间为1秒得到如下油门曲线*:

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图7 正弦扫频测试油门效果图


*备注:油门信号为400HZ,图中不连续部分为1000HZ变化下插补产生的数据。


正弦扫频测试-油门-扭矩变化趋势


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图8 正弦扫频测试油门-扭矩效果图


在扭矩变化的趋势图中,我们直观的观察到前期扭矩的变化略微快于油门变化,这在理论上是不可能的,且在每个周期内的波峰和波谷并未出现扭矩超调的现象,随着油门变化频率的增大,这种现象逐渐消失,扭矩曲线完全落后于油门曲线。要解释这种现象,需要掌握一定深度的理论基础及分析方法,这里不做过多讨论,仅对油门信号绝对值与油门变化率双重变量对控制产生的影响进行简单讨论。


螺旋桨的稳态扭矩是不变的,根据图中扭矩随油门信号变化加快,角加速度在不断加大,在测试末期,扭矩达到了整个测试的峰值,但小于计算的理论峰值(根据稳态下转速计算的理论值),且离目标转速越来越远。


该实验验可以很好的反应电机转矩的控制阻尼,及高频控制下电机转矩离目标的偏离值(对比稳态)。不过这里只是举了一个例子,具体的实验方案要配合用户自身的控制逻辑去设计才能获得最佳效果,希望对大家有帮助


正弦扫频测试-油门-拉力变化趋势


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图9 正弦扫频测试油门-拉力效果图


从图11中我们可以明显看到,相对于扭矩,拉力的变化与扭矩正好相反,随着控制频率不断的提高,拉力的峰值/谷值在不断的变小,在最开始时,拉力峰值为649g,谷值490g,到10秒测试末期,拉力峰值变为621g,谷值510g,这对我们的多轴拉力控制也提供了一定的参考意义,特别是稳态下的拉力变化频率与控制稳定性的关系。


高频动力测试对于高校科研、动力厂家研发以及无人机厂家开发实验具有重要作用,灵翼飞航特推出1000HZ高频动力测试系统,愿与无人机行业从业者共同探讨,推动无人机行业技术进步,欢迎垂询。