測量電機螺旋槳系統工作性能及參數的裝置和方法
2023-05-25 12:39:31
測量電機螺旋槳系統工作性能及參數的裝置和方法
【專利摘要】本發明公開了一種測量電機螺旋槳系統工作性能及參數的裝置和方法，該裝置包括重物平臺、橋型應變片、加速度計、紅外對管、AD轉換模塊、電壓比較電路、微處理單元、通訊模塊和上位機；加速度計置於重物平臺上，紅外對管安裝在重物平臺上並朝向電機，橋型應變片置於重物平臺底部；電子調速器的5V電源輸出為測量裝置供電，其控制信號線與微處理單元的PWM輸出引腳相連；橋型應變片與AD轉換模塊相連，紅外對管與電壓比較電路相連，加速度計、AD轉換模塊和電壓比較電路均與微處理單元相連，微處理單元通過通訊模塊與上位機通信；本發明可以用於篩選工作特性一致的電機螺旋槳系統，使得多旋翼無人機的控制不會因電機螺旋槳系統的差異而增加難度。
【專利說明】測量電機螺旋槳系統工作性能及參數的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種測量電機螺旋槳系統工作性能及參數的裝置和方法，特別地，該裝置能夠將數據傳回上位機，並且在上位機上進行數據分析和保存，獲取需要的相關參數。
【背景技術】
[0002]當今，小型旋翼無人機的研究與應用越來越普遍，電機螺旋槳系統作為其主要動力來源，其工作性能和參數的測試對後續研究有重要影響。但目前市面上已有的工具都只能實現對電機螺旋槳某一方面穩態參數的測試。例如，轉速計用來測試電機的轉速，轉速值只能得到最後穩定的數據，無法測得速度達到穩定的時間；碳纖維螺旋槳平衡器能測試螺旋槳自身的平衡性，但是由於電機軸心偏差引起的不平穩卻無法測試。要對電機螺旋槳的總體工作性能進行了解，並獲得其特性參數，還缺乏有效的裝置。
【發明內容】
[0003]針對現有技術的不足，本發明提供了一種測量電機螺旋槳系統工作性能及參數的裝置和方法。該裝置能夠測試電機螺旋槳系統的工作性能，同時建立其工作特性曲線。
[0004]本發明解決其技術問題是通過以下技術方案來實現的:一種測量電機螺旋槳系統工作性能及參數的裝置，所測量的電機螺旋槳系統包含電子調速器、電池、電機和螺旋槳，電子調速器與電池相連，將電池電壓轉換成5V輸出；電子調速器與電機相連，螺旋槳安裝在電機軸心上；所述測量電機螺旋槳系統工作性能及參數的裝置包括重物平臺、橋型應變片、加速度計、紅外對管、AD轉換模塊、電壓比較電路、微處理單元、通訊模塊和上位機；電機固定於重物平臺上，電子調速器和加速度計置於重物平臺上，紅外對管安裝在重物平臺上並朝向電機，橋型應變片置於重物平臺底部；電子調速器的5V電源輸出為測量裝置供電，其控制信號線與微處理單元的PWM輸出引腳相連；橋型應變片與AD轉換模塊相連，紅外對管與電壓比較電路相連，加速度計、AD轉換模塊和電壓比較電路均與微處理單元相連，微處理單元通過通訊模塊與上位機通信。
[0005]進一步地，所述紅外對管由限流電阻Rl、封裝在殼體內的發射管Dl和接收管D2組成，發射管Dl正極與電阻Rl的一端相連，電阻Rl的另一端與5V電源相連,發射管Dl負極接地；接收管D2負極接地；電壓比較電路包含電阻R2、電阻R3和三極體Ql，三極體Ql的集電極與電阻R2的一端相連，電阻R2的另一端與5V電源相連，三極體Ql的發射極與電阻R3的一端相連，電阻R3的另一端接地；三極體Ql的基極與接收管D2的正極相連；三極體Ql的集電極作為speed信號輸出端與微處理單元的脈衝捕捉引腳相連。
[0006]一種應用上述裝置測量電機螺旋槳系統工作性能及參數的方法，包括以下步驟: Cl)上位機與微處理單元通信，微處理單元輸出PWM到電子調速器，啟動電機；
(2)電機帶動螺旋槳轉動，產生升力；橋型應變片測量壓力信號，通過AD轉換模塊，將壓力測量值傳回微處理單元，經微處理單元處理獲得升力值；加速度計測量震動信號並發送到微處理單元，經微處理單元處理獲得三軸加速度值；紅外對管測量電機的轉速，通過電壓比較電路傳回微處理單元，經微處理單元處理獲得轉速值；
(3)微處理單元將處理後得到的升力值、加速度值和轉速值打包成數據幀通過通訊模塊發送到上位機；
(4)上位機將接收到的數據幀解碼獲得實時的升力值、加速度值、轉速值並保存，同時繪製各項數據隨時間變化的曲線；根據升力值、轉速值與時間的實時曲線圖獲得電機螺旋槳系統的時間常數、響應時間和穩態值等參數；
(5)改變PWM值，重複步驟1-4，獲得不同PWM輸入下的升力值、轉速值曲線，從而獲得不同轉速下電機螺旋槳系統的時間常數、響應時間和穩態值等參數；分析最大轉速下的加速度值變化曲線，通過比較最大轉速下的加速度值變化與設定的閾值，實現對電機螺旋槳系統的性能進行評定。
[0007]本發明的有益效果是，本發明通過識別電機螺旋槳系統工作時的震動情況，判斷其是否可直接用於小型旋翼無人機上。本發明判定可用於小型旋翼無人機上的電機螺旋槳，則進一步測試其工作時的數據，傳回上位機，通過上位機的處理，建立電機螺旋槳的工作特性曲線。本發明所建立的工作特性曲線，可用於無人機建模，以便實現對無人機的精確控制。本發明可以用於篩選工作特性一致的電機螺旋槳系統，使得多旋翼無人機的控制不會因電機螺旋槳系統的差異而增加難度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明:
圖1是本發明所要測量電機螺旋槳系統的連接框圖；
圖2是本發明中測量裝置的結構框圖；
圖3是本發明轉速測量模塊電路圖；
圖4是本發明橋型應變片電路圖；
圖5是本發明微處理單元的工作過程圖 圖6是本發明上位機的結構圖；
圖7是本發明上位機功能設計框圖；
圖8是本發明實施例系統結構框圖；
圖9是本發明實施例裝載槳葉I的系統三軸加速度曲線圖；
圖10是本發明實施例裝載槳葉2的系統三軸加速度曲線圖；
圖11是本發明實施例裝載槳葉2的轉速響應曲線圖。
【具體實施方式】
[0009]如圖1所示，本發明所測量的電機螺旋槳系統包含電子調速器、電池、電機和螺旋槳，電子調速器與電池相連，將電池電壓轉換成5V輸出；電子調速器與電機相連，控制電機的轉動；螺旋槳安裝在電機軸心上，隨著電機的轉動而轉動。
[0010]如圖2所示，本發明測量電機螺旋槳系統工作性能及參數的裝置包括重物平臺、橋型應變片、加速度計、紅外對管、AD轉換模塊、電壓比較電路、微處理單元、通訊模塊和上位機。電機固定於重物平臺上，電子調速器、加速度計置於重物平臺上，紅外對管安裝在重物平臺上並朝向電機，橋型應變片置於重物平臺底部。電子調速器的5V電源輸出為測量裝置供電，其控制信號線與微處理單元的PWM輸出引腳相連。橋型應變片與AD轉換模塊相連，紅外對管與電壓比較電路相連，加速度計、AD轉換模塊、電壓比較電路均與微處理單元相連，微處理單元通過通訊模塊與上位機通信。
[0011]本發明中所用的固定電機的重物平臺，實際由兩部分組成，外部是一個高強度的塑料筒，內部則是重物砝碼。根據需要，可在塑料筒內部放置不同規格的砝碼，使得重物平臺總重量比電機最大升力大。塑料筒頂部可以打出用於固定電機的安裝孔。
[0012]本發明中的轉速測量主要由紅外對管完成，紅外對管朝向電機安裝，電機表面貼上白色標籤，紅外發射管向白色標籤發射信號時，接收管輸出高電平，向黑色電機表面發射信號時，接收管輸出低電平。接收管輸出信號是連續模擬信號，通過電壓比較電路轉換成數字脈衝信號，再與微處理單元的脈衝捕獲引腳相連，將脈衝計數測速和脈衝周期測速得到的轉速進行融合得到實際的轉速。圖3為紅外對管與電壓比較電路的電路圖，紅外對管由限流電阻R1、封裝在殼體內的發射管Dl和接收管D2組成，發射管Dl正極與電阻Rl的一端相連，電阻Rl的另一端與5V電源相連，發射管Dl負極接地。接收管D2負極接地。電壓比較電路包含電阻R2、電阻R3和三極體Q1，三極體Ql的集電極與電阻R2的一端相連，電阻R2的另一端與5V電源相連，三極體Ql的發射極與電阻R3的一端相連，電阻R3的另一端接地。三極體Ql的基極與接收管D2的正極相連。三極體Ql的集電極作為speed信號輸出端與微處理單元的脈衝捕捉引腳相連。
[0013]本發明中的升力測量由橋型應變片完成，如圖4所示，橋型應變片是由四個壓變電阻R4、R5、R6、R7組成的橋型應變電路，橋型應變片輸出的信號通過兩路差分輸入AD轉換晶片進行放大轉換，AD轉換晶片與微處理單元進行通訊。橋型應變片安裝於重物平臺底部，測量壓力的減少值，該減少值即是電機升力大小。
[0014]本發明中的加速度計安裝在重物平臺上，直接感受不同狀態下系統的震動狀況，通過SPI或者I2C協議與微處理單元進行通訊。
[0015]如圖5所示，微處理單元通過串口接收中斷方式，經通訊模塊接收來自上位機軟體的控制指令，解碼，設定電機轉速。通過脈衝捕捉中斷讀取相鄰脈衝上升沿之間的時間，累計脈衝數。在主循環裡，每20ms定時讀取三軸加速度、利用上升沿間的時間、累計脈衝數計算電機轉速，讀取電機升力，數據更新結束後，傳回上位機進行數據的分析處理並保存。
[0016]如圖6所示，上位機可以由普通PC機實現，它與微處理單元之間主要採用藍牙方式通訊。上位機的功能主要有，控制指令的下傳，設定電機的轉速、開/停機等；傳感器數據的上傳、解碼；通過對數據幀的解析，可以獲得實時的傳感器數據，包括升力、加速度、轉速。
[0017]上位機可以實時的顯示串口數據，並解析傳感器數據的數值大小，繪製實時曲線。實際使用中，上位機發給微處理單元一個轉速設定值，對電機產生一個階躍激勵信號，輸出數據即為電機螺旋槳系統的階躍響應。在線繪製升力與時間、轉速與時間的關係曲線，從中可以獲得系統時間常數、穩定時間、超調量等動態參數，這些參數可以用於後續無人旋翼機的建模中。繪製三軸加速度與時間的關係，對比電機轉動與靜止時加速度的變化，若是在無外加減震措施情況下，轉動時的數據在靜止時的數據的±2m/s2以內，則震動較小，可直接用於旋翼機上，若震動較大，則需要進一步調整。
[0018]實驗結束後，可以對保存的實驗數據進行處理。進一步離線繪製升力與PWM、轉速與PWM的關係曲線，通過對比曲線，可以選擇出特性曲線比較接近的電機螺旋槳系統。同時該特性曲線可以用於無人旋翼機的控制仿真。
[0019]圖7為本發明上位機功能設計框圖，按照上面所述的上位機的功能逐一進行設計和實現，設置監控窗口可以實時查看收到的數據，並將其中有效的傳感器數據解析並實時顯示在顯示控制項上，選擇藍牙串口模塊在當前所用的電腦上對應的串口號，同時通過點擊對應的各個按鈕能夠實現對通訊的開關，數據保存的開關(默認為開)，以及對已經保存的數據的清除，整個系統的啟動和關閉。設定輸入行可以任意設置合理的PWM輸入並下傳，便於實驗的操作和設計，曲線顯示部分可以通過選擇曲線類型，實時顯示對應的各項數據(升力，轉速，PWM輸入，加速度)隨著時間變化的曲線，便於實驗的實時觀測，同時數據分析部分可以顯示各項傳感器數據(升力，轉速，加速度)與PWM輸入的關係曲線，在PWM輸入不變時能夠觀測數據抖動情況，同時在設定新的PWM輸入時看到數據的響應情況。整個上位機界面運行和操作時，可以實時提示當前的狀態，例如操作是否完成，數據是否在保存等，進一步的方便人員的操作。
[0020]本發明測量電機螺旋槳系統工作性能及參數的方法，包括以下步驟:
1、上位機與微處理單元通信，微處理單元輸出PWM到電子調速器，啟動電機。
[0021]2、電機帶動螺旋槳轉動，產生升力。橋型應變片測量壓力信號，通過AD轉換模塊，將壓力測量值傳回微處理單元，經微處理單元處理獲得升力值；加速度計測量震動信號並發送到微處理單元，經微處理單元處理獲得三軸加速度值；紅外對管測量電機的轉速，通過電壓比較電路傳回微處理單元，經微處理單元處理獲得轉速值。
[0022]3、微處理單元將處理後得到的升力值、加速度值和轉速值打包成數據幀通過通訊模塊發送到上位機。
[0023]4、上位機將接收到的數據幀解碼獲得實時的升力值、加速度值、轉速值並保存，同時繪製各項數據隨時間變化的曲線。根據升力值、轉速值與時間的實時曲線圖獲得電機螺旋槳系統的時間常數、響應時間和穩態值等參數。
[0024]5、改變PWM值，重複步驟1-4，獲得不同PWM輸入下的升力、轉速值曲線，從而獲得不同轉速下電機螺旋槳系統的時間常數、響應時間和穩態值等參數。分析最大轉速下的加速度值變化曲線，通過比較最大轉速下的加速度值變化與設定的閾值，實現對電機螺旋槳系統的性能進行評定。
[0025]所述閾值由技術人員根據實際需要設定，無特殊要求。
[0026]圖8所示為本發明的實施例框圖，本發明實施例中的加速度計模塊採用AD公司的三軸加速度計ADXL345，該加速度計工作於全解析度模式，解析度為3.9mg/LSB,測量範圍為±16g，與微處理單元的I2C接口連接通訊。模塊安裝於塑料筒的上表面，通過加速度的波動情況感知電機螺旋槳轉動帶來的震動情況。
[0027]本發明實施例中的升力測量模塊由橋型應變片電路(如圖4)完成壓力測量，應變片電路輸出信號經由Α/D轉換器(本發明實施例選用晶片HX711)轉換輸出，與微處理單兀普通IO 口連接，IO 口通過模擬HX711要求的協議進行通訊。該模塊置於重物平臺底部，實際中測量壓力的減少值即電機升力大小。
[0028]本發明實施例的系統核心板選用STM32F103作為主控晶片，由電子調速器的5V輸出供電，STM32輸出PWM控制電子調速器，從而控制電機轉速。電機轉動時，槳會產生升力，使得應變片測得的壓力變小，測量該減小值便能獲得升力值。紅外發射管(本發明實施例選用億光紅外對管)朝向電機發射紅外光，電機轉動一圈，STM32接收到一個脈衝信號，通過定時器的輸入捕獲引腳，獲得兩個脈衝上升沿之間的時間，該時間即為電機轉動一圈的時間；同時，對一定時間內獲得的脈衝上升沿進行計數，該值即為電機在固定時間內轉動的圈數，對兩者進行處理，獲得電機的實際轉速。電機轉動時，電機螺旋槳系統本身會由於軸心的偏差或者槳的不平衡，產生震動。測量轉動時加速計輸出的大小，與靜止時加速度計的輸出做對比，判斷該電機螺旋槳系統是否振動過大，若過大，則需要對該系統進行替換或者調整。STM32測得的升力、轉速、加速度數據將通過藍牙模塊實時傳回電腦，通過上位機進行保存和處理。
[0029]本實施例做出的兩組實驗，使用了同一款電機(本發明實施例選用朗宇X4112S)和兩個同規格、外觀上無明顯區別的的槳葉(槳葉I和槳葉2)，給定50%的PWM輸入，測得兩組系統的加速度數據(如圖9、圖10所示)，可以得到震動情況對比。可以看出裝載槳葉2的電機螺旋槳系統其X、Y軸向的加速度變化範圍在土2m/s2內，相比槳葉I在X、Y軸向的加速度範圍±4m/s2，其震動更小。選擇槳葉2測出50%PWM輸入下的轉速響應曲線(如圖11所示)，可以得到電機穩定轉速為2200r/min，經歷0.9s的上升時間到達穩定值，系統為一階系統，時間常數約為0.4，超調量近似為零。實驗所得的各項參數可用於後期的數學模型的建立和分析。
【權利要求】
1.一種測量電機螺旋槳系統工作性能及參數的裝置，所測量的電機螺旋槳系統包含電子調速器、電池、電機和螺旋槳，電子調速器與電池相連，將電池電壓轉換成5V輸出；電子調速器與電機相連，螺旋槳安裝在電機軸心上；其特徵在於，所述測量電機螺旋槳系統工作性能及參數的裝置包括重物平臺、橋型應變片、加速度計、紅外對管、AD轉換模塊、電壓比較電路、微處理單元、通訊模塊和上位機；電機固定於重物平臺上，電子調速器和加速度計置於重物平臺上，紅外對管安裝在重物平臺上並朝向電機，橋型應變片置於重物平臺底部；電子調速器的5V電源輸出為測量裝置供電，其控制信號線與微處理單元的PWM輸出引腳相連；橋型應變片與AD轉換模塊相連，紅外對管與電壓比較電路相連，加速度計、AD轉換模塊和電壓比較電路均與微處理單元相連，微處理單元通過通訊模塊與上位機通信。
2.根據權利要求1所述測量電機螺旋槳系統工作性能及參數的裝置，其特徵在於，所述紅外對管由限流電阻R1、封裝在殼體內的發射管Dl和接收管D2組成，發射管Dl正極與電阻Rl的一端相連，電阻Rl的另一端與5V電源相連，發射管Dl負極接地；接收管D2負極接地；電壓比較電路包含電阻R2、電阻R3和三極體Q1，三極體Ql的集電極與電阻R2的一端相連，電阻R2的另一端與5V電源相連,三極體Ql的發射極與電阻R3的一端相連，電阻R3的另一端接地；三極體Ql的基極與接收管D2的正極相連；三極體Ql的集電極作為speed信號輸出端與微處理單元的脈衝捕捉引腳相連。
3.一種應用權利要求1所述裝置測量電機螺旋槳系統工作性能及參數的方法，其特徵在於，包括以下步驟: Cl)上位機與微處理單元通信，微處理單元輸出PWM到電子調速器，啟動電機； (2)電機帶動螺旋槳轉動，產生升力；橋型應變片測量壓力信號，通過AD轉換模塊，將壓力測量值傳回微處理單元，經微處理單元處理獲得升力值；加速度計測量震動信號並發送到微處理單元，經微處理單元處理獲得三軸加速度值；紅外對管測量電機的轉速，通過電壓比較電路傳回微處理單元，經微處理單元處理獲得轉速值； (3)微處理單元將處理後得到的升力值、加速度值和轉速值打包成數據幀通過通訊模塊發送到上位機； (4)上位機將接收到的數據幀解碼獲得實時的升力值、加速度值、轉速值並保存，同時繪製各項數據隨時間變化的曲線；根據升力值、轉速值與時間的實時曲線圖獲得電機螺旋槳系統的時間常數、響應時間和穩態值等參數； (5)改變PWM值，重複步驟1-4，獲得不同PWM輸入下的升力、轉速值曲線，從而獲得不同轉速下電機螺旋槳系統的時間常數、響應時間和穩態值等參數；分析最大轉速下的加速度值變化曲線，通過比較最大轉速下的加速度值變化與設定的閾值，實現對電機螺旋槳系統的性能進行評定。
【文檔編號】G01H17/00GK103983403SQ201410026506
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年1月21日 優先權日:2014年1月21日
【發明者】宋子豪, 李偉榮, 方舟, 李平 申請人:浙江大學