一種多旋翼飛行器動力系統升力性能測試裝置的製作方法

2023-05-01 03:22:06

本實用新型涉及多旋翼飛行器飛行控制技術領域，具體涉及多旋翼飛行器動力系統升力性能測試裝置。

背景技術：

多旋翼飛行器具有可垂直起降以及機械結構簡單、可靠性高、體積小、重量輕、成本低、使用方便等優點，在航空攝影、交通監控、地理測繪、電力巡線以及偵查等方面具有廣闊的應用前景。

多旋翼飛行器控制器控制飛行器的飛行狀態，是飛行器系統的重要組成部分。其中多旋翼飛行器動力系統升力性能參數是設計多旋翼飛行器控制器的重要依據，準確的了解飛行器動力系統升力性能有助於設計出更加優良的控制器。

飛行器動力系統升力性能參數辨識，需要知道輸入飛行器動力系統的控制信息和輸出飛行器動力系統的升力信息。但是由於升力測量不方便，目前市場上對飛行器動力系統升力性能參數辨識的方法多採用間接測量升力的方法，即首先測量出少量升力和電機轉速數據，計算出升力與電機轉速平方的係數，然後再根據電機轉速和該係數，計算出大量的升力數據，進行系統參數辨識。這種方法普遍存在以下缺點：

(1) 記錄升力數據不方便。

(2) 計算升力與電機轉速平方的係數所選取的數據數量少，不能排除隨機誤差的影響。

(3) 採用間接的方法計算升力，引入了幹擾，使獲得的升力數據不準確。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是現有多旋翼飛行器動力系統升力性能辨識不方便、不準確的問題，提供了一種多旋翼飛行器動力系統升力性能測試裝置。

本實用新型提供：一種多旋翼飛行器動力系統升力性能測試裝置，其包括MCU處理器電路，與該MCU處理器電路電連接的測量電路、轉速接口電路和電調接口電路，其中測量電路包括升力測量電路，

所述升力測量電路用於測量旋翼升力，包括HX711AD電路和橋式壓力傳感器電路；

所述轉速接口電路用於測量電機轉速，其輸出端與MCU處理器電路的定時器輸入捕獲埠相連，轉速接口電路的輸入端與無刷電機轉速傳感器連接，所述無刷電機轉速傳感器用於檢測無刷電機螺旋槳的電機的轉速；

所述電調接口電路用於輸出控制無刷電機轉速的PWM波，電調接口電路的輸出端與航模電調的輸入端連接，電調接口電路的輸入端與MCU處理器電路的定時器PWM輸出埠相連，所述航模電調的輸出端與無刷電機螺旋槳的電機連接，所述航模電調的電源端接電源。

所述橋式壓力傳感器電路由四個電阻應變片壓力傳感器構成。

所述HX711AD電路由HX711AD轉換晶片、Q2三極體、6腳排針接插件JC8、4腳排針接插件JC9、電容C4、電容C5、電容C6、電容C7、電容C8、電阻R8、電阻R9、電阻R12以及電阻R13組成，其中HX711AD轉換晶片的8腳和10腳分別串聯電阻R8和電阻R9與6腳排針接插件JC8的4腳和6腳連接，HX711AD轉換晶片的7腳和9腳與6腳排針接插件JC8的3腳和5腳連接，HX711AD轉換晶片的7腳與8腳、9腳與10腳之間分別並聯電容C4和C5，HX711AD轉換晶片的11和12腳與4腳排針接插件JC9相連，HX711AD轉換晶片的2腳接三極體Q2的基極，三極體Q2的集電極分別通過電容C6接地以及直接接電源VCC，三極體Q2的發射極串聯電阻R12接HX711AD轉換晶片的4腳，HX711AD轉換晶片的4腳和5腳之間並聯電阻R13，三極體Q2的發射極與HX711AD轉換晶片的5腳之間並聯電容C7，HX711AD轉換晶片的5腳和6腳之間並聯電容C8。

所述測量電路還設有電壓測量電路和電流測量電路，所述電壓測量電路和電流測量電路分別與航模電調連接。

所述MCU處理器電路設有USB-USART橋接電路，用於實現USB與USART之間的協議轉換，USB-USART橋接電路的一端與上位計算機的USB接口相連，另一端與MCU處理器電路的USART埠連接，所述USB-USART橋接電路為MCU處理器電路和HX711AD提供3.3V供電電壓。

所述電壓測量電路由電阻R3、電阻R4、電容C13組成，其中電阻R3和電阻R4構成分壓電路。

所述電流測量電路由OPA348SC晶片、電阻R7、電阻R8、電阻R9、電阻R10、電容C16、電容C17組成，其中OPA348SC晶片的1腳依次串聯電阻R8、電阻R7接地，OPA348SC晶片的1腳通過電容C16接地，OPA348SC晶片的3腳串聯電阻R9後接地，OPA348SC晶片的5腳分別通過電容C17接地以及直接接電源VCC，OPA348SC晶片的4腳接MCU處理器電路的AD採樣輸入端，OPA348SC晶片的4腳與3腳之間並聯電阻R10，其中電阻R8和電阻R7的連接處為採樣端。

本實用新型利用基於電阻應變片的橋式壓力傳感器測量升力數據，使升力數據測量方便；通過直接獲取升力數據進行多旋翼飛行器動力系統升力性能辨識，使得到的旋翼升力模型更加準確。

附圖說明

圖1是本實用新型的系統原理結構圖。

圖2是MCU處理器電路的電路原理圖。

圖3是USB-USART橋接電路的電路原理圖。

圖4是電壓測量電路的電路原理圖。

圖5是電流測量電路的電路原理圖。

圖6是升力測量電路的電路原理圖。

圖7是電調接口電路的電路原理圖。

圖8是轉速接口電路的電路原理圖。

圖9是橋式壓力傳感器電路的電路原理圖。

圖10是HX711AD電路的電路原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型實施例作進一步說明：

如圖所示，本實用新型提供一種多旋翼飛行器動力系統升力性能測試裝置100，其包括MCU處理器電路107，與該MCU處理器電路107電連接的測量電路、轉速接口電路105和電調接口電路104，

所述MCU處理器電路107，通過AD採樣輸入管腳與電壓檢測電路、電流檢測電路連接，實現航模電調輸入電壓、航模電調輸入電流的測量；通過GPIO口(PA5、PB10)與升力檢測電路連接，實現旋翼升力的測量；通過定時器PWM輸出埠與電調接口電路連接，實現控制電機轉速；通過定時器輸入捕獲接口與轉速接口電路連接，實現電機轉速的測量；通過USART接口與USB-USART橋接電路連接，實現USB與USART之間的協議轉換。

MCU處理器電路107由MCU處理器、OBSCILLATOR晶振、JTAG下載接口、電容C5、電容C6、電容C7、電容C8、電容C9、電容C10、電容C11、電容C12、電阻R2組成，MCU處理器晶片採用意法半導體公司生產的基於Cortex-M3內核的32位嵌入式微控制晶片STM32F100CBT6，OBSCILLATOR晶振為STM32F100CBT6微控制器提供外部8MHZ時鐘、JTAG接口用於下載下位機程序到控制晶片STM32F100CBT6，電容C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11起到穩壓作用、電容C12起到耦合作用，BOOT0經過電阻R2連接到地，使程序執行從Flash開始。

其中測量電路包括升力測量電路103，所述升力測量電路103用於測量旋翼升力，包括HX711AD電路和橋式壓力傳感器電路，該橋式壓力傳感器電路包括橋式壓力傳感器；

所述轉速接口電路105用於測量電機轉速，其輸出端與MCU處理器電路107的定時器輸入捕獲埠相連，轉速接口電路的輸入端與無刷電機轉速傳感器連接，所述無刷電機轉速傳感器用於檢測無刷電機螺旋槳的電機的轉速。轉速接口電路105由2.54mm間距三腳排針接插件RPM_IN構成，其中管腳1為無刷電機轉速傳感器信號輸入口，管腳2連接5V電源，管腳3接地。

所述電調接口電路用於輸出控制無刷電機轉速的PWM波，電調接口電路的輸出端與航模電調的輸入端連接，電調接口電路的輸入端與MCU處理器電路的定時器PWM輸出埠相連，所述航模電調的輸出端與無刷電機螺旋槳的電機連接，所述航模電調的電源端接外置電源，航模電調是航空模型用電子調速器的簡稱，英文名Air-modeling ESC。

電調接口電路104由2.54mm間距三腳排針接插件PWM_Out構成，其中1管腳為定時器PWM輸出口、2管腳懸空、3管腳接地。

所述橋式壓力傳感器電路由4個電阻應變片壓力傳感器R_1、R_2 R_3和R_4構成，所述升力測量電路103，通過電阻應變橋式壓力傳感器的輸出端與HX711AD模塊的輸入端連接，HX711AD電路的輸入端與MCU處理器電路的GPIO口(PA5、PB10)連接，實現升力測量。

所述升力測量電路103由2.54mm間距四腳排針接插件Lift_in構成，其中管腳1為HX711AD轉換命令控制端、管腳2為HX711D數據輸入端，管腳3接3.3V電壓，管腳4接地。

所述HX711AD電路由HX711AD轉換晶片、Q2三極體、6腳排針接插件JC8、4腳排針接插件JC9、電容C4、電容C5、電容C6、電容C7、電容C8、電阻R8、電阻R9、電阻R12以及電阻R13組成，其中HX711AD轉換晶片的8腳和10腳分別串聯電阻R8和電阻R9與6腳排針接插件JC8的4腳和6腳連接，HX711AD轉換晶片的7腳和9腳與6腳排針接插件JC8的3腳和5腳連接，HX711AD轉換晶片的7腳與8腳、9腳與10腳之間分別並聯電容C4和C5，HX711AD轉換晶片的11和12腳與4腳排針接插件JC9相連，HX711AD轉換晶片的2腳接三極體Q2的基極，三極體Q2的集電極分別通過電容C6接地以及直接接電源VCC，三極體Q2的發射極串聯電阻R12接HX711AD轉換晶片的4腳，HX711AD轉換晶片的4腳和5腳之間並聯電阻R13，三極體Q2的發射極與HX711AD轉換晶片的5腳之間並聯電容C7，HX711AD轉換晶片的5腳和6腳之間並聯電容C8。其中電容C4、C5、C6、C7起到穩壓的作用，C8起到耦合作用， HX711AD晶片內穩壓電路通過晶片外三極體Q2和分壓電阻R12、R13向傳感器和A/D轉換器提供穩定的低噪聲模擬電壓。6腳排針接插件JC8的1腳連接到AVDD、2腳連接到GND、3腳連接到通道A-、4腳連接到通道A+、5腳連接到通道B-、6腳連接到通道B+，4腳排針接插件JC9通道1連接到VCC、通道2連接到PD_SCK、通道3連接到DOUT、通道4連接到GND。

所述測量電路還設有電壓測量電路101和電流測量電路102，所述電壓測量電路101和電流測量電路102分別與航模電調連接。

所述電壓檢測電路101將航模電調供電電壓1/10分壓後與MCU處理器的AD接口(PA0)連接，實現對可調電源的電壓測量；所述電壓測量電路101由電阻R3、電阻R4、電容C13組成，其中電阻R3和電阻R4構成分壓電路，電容C13起到穩壓的作用。

所述電流檢測電路102，通過輸入端接入航模電調的電源端，輸出端與MCU處理器電路的AD接口(PA3)連接，實現電流測量；所述電流測量電路102由OPA348SC晶片、電阻R7、電阻R8、電阻R9、電阻R10、電容C16、電容C17組成，其中OPA348SC晶片的1腳依次串聯電阻R8、電阻R7接地，OPA348SC晶片的1腳通過電容C16接地，OPA348SC晶片的3腳串聯電阻R9後接地，OPA348SC晶片的5腳分別通過電容C17接地以及直接接電源VCC，OPA348SC晶片的4腳接MCU處理器電路的AD採樣輸入端，OPA348SC晶片的4腳與3腳之間並聯電阻R10，其中電阻R8和電阻R7的連接處為採樣端。OPA348SC晶片為精密運算放大器，R7為電流感測電阻，將電流信號轉換為電壓信號，R8、R9、R10、C16和OPA348SC晶片組成了放大倍數為99倍的精密運算放大電路、C16、C17起到穩壓作用。

所述MCU處理器電路107設有USB-USART橋接電路106，用於實現USB與USART之間的協議轉換，USB-USART橋接電路的一端與上位計算機的USB接口相連，另一端與MCU處理器電路的USART埠連接，所述USB-USART橋接電路為MCU處理器電路和HX711AD提供3.3V供電電壓。

USB-USART橋接電路106由USB-F接口、FT232R晶片、電阻R1、電容C1、電容C2、電容C3、電容C4組成，USB接口用於連接USB線，FT232晶片用於USB信號與USART信號的轉換，電阻R1為0Ω電阻，作用是可以選擇性連接此根導線，電容C1、電容C2、電容C3起穩定電壓的作用。

實施例不應視為對本實用新型的限制，但任何基於本實用新型的精神所作的改進，都應在本實用新型的保護範圍之內。