如何测试无人机的动力系统?

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自动无刷电机和螺旋桨测试

测试您的推进系统是无人机优化过程的关键部分。它可以帮助您提高效率、认证您的设计并制定维护计划。

这些是您可以使用系统运行的一些自动推进测试,其中许多可以使用我们的软件执行:

步进测试

扫描/斜坡测试

如何测试无人机的动力系统?

耐力测试

闭环控制/恒定拉力测试

90%稳定时间测试

重复飞行测试

正弦测试和啁啾信号测试

本文引用了与我们的电机和螺旋桨测试台配对的两个免费软件:

RCbenchmark软件 - 采样率高达50Hz,与RCbenchmark 1520系列、1580系列和1780系列测试台兼容。

Flight Stand软件 - 采样率高达1000Hz,与Flight Stand 15测试台兼容。

1585系列测试台用于收集本文视频中显示的数据。

图1:在风洞中测试的推进系统

【无刷电机和螺旋桨的步进测试】

(1)什么是步进测试?

步进测试让您的推进系统以规则或不规则模式通过一系列信号步进。例如,您可以将油门设置为从25%开始,然后以5%的间隔增加至50%(25%、30%、35%、40%、45%、50%)。

在这些“步骤”中的每一个都有一个定义的稳定时间,当系统保持油门稳定以让系统在数据样本被捕获之前稳定下来。

(2)为什么要进行步进测试?

执行步进测试的原因有很多,因为它是可用的较为简单的测试之一。

首先,步进测试很容易重复测试,并且可以根据需要以完全相同的方式运行多次。这使得比较推进系统的不同配置变得容易,因为数据收集点每次的技术配置都是相同的。

它对于查看系统在不同操作点的性能也很有用。55%油门与60%油门时的效率如何比较?80%与85%油门时的功耗是多少?步进测试可以帮助您通过简单的协议回答这些问题。

(3)如何运行步进测试?

设计步进测试需要您确定要了解哪些操作点。您是想查看整个信号输入范围还是专注于特定的飞行阶段?

一旦确定了这一点,您就可以将这些点输入到测试脚本中,就像RCbenchmark软件中提供的那样(图2)。设置最小值、最大值、步数和步之间的稳定时间。

您的步骤可以手动输入或从电子表格导入。

图2:用于分部测试的自动化测试脚本

【无刷电机和螺旋桨的扫频/斜坡测试】

(1)什么是扫描/斜坡测试?

在扫描测试(AKA斜坡测试)期间,当您的推进系统经历从一个油门值到另一个油门值的平滑斜坡时,数据会被连续记录。与分步测试不同,沿途没有停留,只是在点之间的过渡过程中不断收集数据。

例如,您可以将起始值设置为40%油门,将最大值设置为80%油门,并在增加期间连续收集数据。

(2)为什么要进行扫描/斜坡测试?

扫描/斜坡测试允许您测试两个值之间的全范围ESC工作点。它相当于具有无限步数的步进测试,因此一个优点是您不必手动输入步数。在其他最终目标中,这对于油门曲线分析和观察信号混叠效应非常有用。

一种考虑是测试的数据点数量不是固定的。仍然很有可能比较实验,但是来自不同测试的数据不会像其他测试(例如步进测试)那样以精确的值排列。此外,生成的数据文件可能会变得非常大,使分析更具挑战性。

(3)如何运行扫描/斜坡测试?

在RCbenchmark软件中有一个预先编写的扫描测试脚本,允许用户输入自己的自定义值。用户输入最小起始值、最大峰值以及在两者之间转换的所需时间,从而控制扫描速度。

要记住的一件事是,扫描必须足够慢以最小化螺旋桨的加速扭矩,这样就不会影响读数。如果斜坡足够慢,这种影响可以忽略不计。

如何测试无人机的动力系统?

【无刷电机和螺旋桨的耐力测试】

(1)什么是耐力测试?

耐力测试类别包括任何持续时间较长的测试,其最终目标是测试推进系统或其中的组件的耐力极限。

几个例子:

热耐久性测试 - 在温暖的环境中测试电机的性能数小时。

轴承耐久性测试 - 确定轴承在经历磨损之前可以承受的使用时间。

结冰耐久性测试 - 在寒冷潮湿的环境中测试螺旋桨性能。

(2)为什么要进行耐力测试?

耐力测试在设计过程的许多阶段都很有用。它可以帮助您选择最佳组件并创建准确的技术文档。

耐力测试也是安全性和可靠性的一个重要因素。它可以通过展示组件的使用寿命和飞机的安全运行限制来帮助进行无人机认证。耐久性测试对于设置无人机维护计划也很有用,因为它可以告诉您组件何时需要调整。

如何测试无人机的动力系统?

(3)如何进行耐力测试?

任何油门模式都可用于耐力测试,例如步进、扫描、正弦、飞行回放等。测试的参数很大程度上取决于您作为设计师的目标。

几个例子:

耐热性测试 - 在温暖的环境中以恒定的油门运行长时间运行您的推进系统。观察电机性能随时间的变化。

轴承耐久性测试 - 在 STP条件下,通过一系列重复的操作步骤长时间运行您的推进系统。观察轴承在出现磨损迹象之前可以运行多少小时。

结冰耐力测试 - 在寒冷潮湿的环境中通过平滑的重复信号运行您的推进系统。观察结冰时螺旋桨性能的变化。

RCbenchmark软件可以帮助您使用预先编写的脚本“自定义步骤序列”(图3)来设计耐力测试。用户通过定义步数、每一步的油门值和每一步的持续时间来创建测试序列。该序列可以根据需要重复多次,在测试序列的每个步骤的中间记录一个数据样本。

图3:耐久性测试的可编辑脚本

【闭环控制/恒定拉力测试】

(1)什么是闭环控制/恒定拉力测试?

在闭环控制测试AKA恒定拉力测试期间,系统不断读取传感器数据并调整油门以达到用户定义的恒定拉力/功率/RPM。恒定回路控制的一个例子是PID控制器,它检测目标值和测量值之间的误差,然后根据带有积分和微分调整的比例控制应用校正。

(2)为什么要进行闭环控制测试?

配置闭环控制测试,以便您所需的变量保持不变,即使系统的其他区域发生变化。例如,当无人机电池耗尽和电压下降时,油门将被调整以保持编程的拉力/功率/RPM。

这在许多情况下都很有用,例如在您设计航班、测试电池或测试系统耐久性时。

(3)如何运行闭环控制测试?

使用RCbenchmark软件运行闭环控制测试需要自定义脚本,您可以使用标准Javascript在软件中创建该脚本。这是一个闭环测试的示例脚本,可帮助您入门。

必须修改脚本以实现您的特定目标。主要挑战是确保系统不会过快或过多地补偿,这会导致系统围绕您的目标值振荡,因此需要进行一些调整。

【90%稳定时间测试】

(1)什么是90%稳定时间测试?

90%稳定时间测试测量推进系统在阶跃输入后达到其最终RPM值的90%所需的时间。这是一种在实际意义上测量无人机反应时间的方法。

这是一项动态测试,应以高采样率执行以确保准确读数。

(2)为什么要进行90%的稳定时间测试?

90%的稳定时间测试允许设计师和控制工程师量化整个推进系统的反应时间-ESC、电机和螺旋桨。这对于研究无人机的性能和弹性很有用,例如它从风爆等干扰中恢复的速度。

(3)如何运行90%稳定时间测试?

该测试很容易运行,因为它已在RCbenchmark软件中进行了预编程。该脚本向您的推进系统提供一个阶跃输入信号,使其从0到100%油门。它同时记录达到最终RPM的90%所需的反应时间。

加速度也被记录下来,以提供紧接在步进输入之后的加速度斜率的估计。此数据作为额外列包含在输出.CSV文件中。

图4:90%稳定时间测试脚本

【重复飞行测试】

(1)什么是重复飞行测试?

飞行重放测试是一种使用推进系统在实验室中重现过去飞行的方法。您可以使用存储在机载飞行计算机中的前一次飞行的油门数据来执行此测试。

(2)为什么要进行重复飞行测试?

这种类型的测试很有用,因为它可以让您在飞行的不同阶段查看推进系统的性能。您可以确定哪些阶段消耗的功率最大,哪些阶效率最高和最低。

这种测试方法是重现飞行操作的最准确方法之一,尤其是与风洞测试结合使用时。它对于估计电池寿命特别有用。访问这些信息可能会导致您的无人机设计、飞行程序或两者都发生变化。

(3)如何运行重复飞行测试?

第一步是将您之前飞行的油门信息导出到您的计算机。然后,您可以将该文件作为.CSV文件导入Flight Stand软件(将于2021年秋季推出),以创建自定义测试脚本。如果您使用RCbenchmark软件,则需要编写自定义脚本。

将推进系统连接到测试台后,该软件将通过您的系统重播油门点。您将能够实时查看拉力、扭矩、转速、功率等如何变化。

【正弦测试和啁啾信号测试】

(1)什么是正弦和啁啾信号测试?

在正弦测试期间,推进系统由平滑的正弦波信号控制,迫使电机不断改变速度。该系统在连续记录数据的同时会经历整个节流点。

在啁啾信号测试期间,平滑的正弦波信号被发送到推进系统,但现在频率随时间逐渐变化(图5)。信号频率可能会增加或减少,但信号的幅度保持不变。

图5:啁啾信号的机构(来源:Wikiwand)

(2)为什么要执行正弦测试或啁啾信号测试?

正弦测试可让您查看系统在整个工作点范围内的性能。连续记录类似于扫描测试,并且该模式对于耐力测试很有用。

啁啾测试允许用户测试 ESC 的整个速度变化范围。这可以告诉您 ESC 响应油门变化的速度和程度。它允许您在系统接受更高频率的命令时观察系统稳定性,并且它通常是工程师执行的测试之一,以验证控制系统在所有频率下是否稳定。

(3)如何运行正弦测试或啁啾信号测试?

对于正弦测试,我们有一个预先编写的脚本,用于在ESC输出中生成正弦函数:软件一起使用。

执行啁啾信号测试需要您编写自定义脚本,上面的正弦脚本是一个很好的起点。

请注意,更新速率受ESC协议和USB通信速率的限制。因此,我们不建议使用RCbenchmark软件将正弦波频率设置为10 Hz以上。

结论

本文讨论的自动推进测试在设计高效和有效的无人机方面发挥着重要作用。在这些测试中获得的数据可以提高您对系统的了解并确定需要改进的实际领域。

如果您想在自己的实验室中进行这些测试,我们的1580系列测试台是小型无人机的良好开端,我们的1780系列测试台是中型和大型无人机的最佳选择。与往常一样,我们免费提供功能强大的RCbenchmark软件。

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