无人机动力测试台-自动化测试系统拉力、扭矩、电压、电流、转速和效率
动力测试台是优化设计无人机动力系统的最佳工具，而对待测项目进行精准地自动化测试不仅可以为用户节省宝贵的时间，更为无人机动力系统的升级换代提供强有力的数据支撑。在本文中，我们将介绍使用动力测试台测试无人机动力系统的7种方法，以及如何自动化测试这些项目：
- 步进测试。
- 扫频/斜坡测试。
- 耐力测试。
- 闭环控制/恒推力测试。
- 90%建立时间测试。
- 飞行回放测试。
- 正弦测试和线性调频信号测试。
图1：无人机动力系统风洞测试
步进测试
（1）什么是步进测试？
步进测试使您的动力系统以规则或不规则模式通过一系列步进信号进行测试。例如，您可以将油门设置为从 25% 开始，然后以 5% 的间隔增加到 50%（25%、30%、35%、40%、45%、50%）。
在这些“步进”中的每一个测量点，都有一个自定义时间点，即当系统保持油门稳定并使系统在捕获数据样本之前稳定下来的时间点。
- （2）为什么要进行步进测试？
执行步进测试的原因有很多，因为它是可用的更简单的测试之一。
首先，步进测试易于重复实施，并且可以根据需要以完全相同的方式多次运行。这使得比较动力系统的不同配置变得容易直观，因为每次的数据收集点都是相同的。
它对于查看系统在不同工作点的性能也很有帮助。55% 油门与 60% 油门的效率如何比较？80% 与 85% 油门时的功耗又是多少？
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的目标测试点。您想查看整个信号输入范围还是专注于飞行的某个特定阶段？
确定这一点后，您可以将这些目标点输入到测试脚本中，如 RCbenchmark 软件中提供的脚本（图 2）。设置最小值、最大值、步数和步长之间的建立时间。
您的步骤可以手动输入或从电子表格导入。
图 2：步骤测试的自动测试脚本
扫描/斜坡测试
（1）什么是扫描/斜坡测试？
在扫描测试（又名斜坡测试）期间，当您的动力系统从一个油门值到另一个油门值平稳上升时，数据会连续记录。
与步进测试不同，测试期间没有中间停靠点，只是在两个测点之间的过渡期间连续采集数据。
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，并在油门增加期间持续收集数据。
（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油门值之间的全范围ESC工作点。它相当于具有无限步数的步进测试，因此其中一个优点是您不必手动输入步进测试值。
相比其他测试目标，斜波测试对于动力系统的油门曲线分析和观察信号混叠效应非常有帮助。
一个需要考虑的因素是测试的数据点数量不是固定的。比对实验仍然是很有可能实现的，但每次测试的数据不会像其他测试(如步进测试)那样以精确的试验值排列。
此外，生成的数据文件可能会变得非常大，从而使数据分析更具挑战性。
（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、最大峰值以及两者之间转换的所需时间，以控制扫描速度。
需要记住的一件事是，扫描必须足够慢地执行，以尽量减少螺旋桨的加速扭矩，以免影响读数。如果斜坡足够慢，这种影响可以忽略不计。
耐久性测试
（1）什么是耐久性测试？
耐久性测试类别包括任何持续时间较长的测试，以及测试动力系统或其内部组件极限的最终目标。
举几个例子：
- 热耐久性测试 - 在温暖的环境中测试电机数小时的性能。
- 轴承耐久性测试 - 确定轴承在磨损之前可以承受多少小时的使用。
- 结冰耐久性测试 - 在寒冷潮湿的环境中测试螺旋桨性能。
（2）为什么要进行耐久性测试？
耐久性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。
耐久性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无人机认证。
耐久性测试对于制定无人机维护计划也很有用，因为它可以告诉您什么组件在何时需要调整。
（3）如何进行耐力测试？
任何油门模式都可用于耐久性测试，例如步进、后掠、正弦、飞行回放等。测试的参数在很大程度上取决于您作为设计师的目标。
举几个例子：
- 热耐久性测试 - 在温暖的环境中以恒定油门长时间运行推进系统。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步骤运行您的推进系统。观察轴承在出现磨损迹象之前运行了多少小时。
- 结冰耐久性测试 - 在寒冷潮湿的环境中通过平稳的重复信号运行推进系统。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）设计耐久性测试。用户通过定义步骤数、每个步骤的限制值以及每个步骤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。数据样本记录在测试序列中每个步骤的中间。
图 3：用于耐久性测试的可编辑脚本
闭环控制/恒推力测试
（1）什么是闭环控制/恒推力测试？
在闭环控制测试（又称恒定推力测试）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推力/功率/RPM。
恒定回路控制的一个例子是PID控制器，它检测目标和测量值之间的误差，然后应用基于比例控制的校正，并进行积分和微分调整。
（2）为什么要进行闭环控制测试？
配置闭环控制测试，以便即使系统的其他区域发生变化，所需的变量也保持不变。
例如，当锂聚合物电池耗尽并且电压下降时，将调整油门以保持编程的推力/功率/RPM。
这在许多情况下都很有用，例如在设计飞行、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一个自定义脚本，该脚本可以使用标准Javascript在软件内创建。下面是一个闭环测试的示例脚本，可帮助您入门。
必须修改脚本才能实现您的特定目标。主要挑战是确保系统不会补偿太快或太多，这将导致系统围绕目标值振荡，因此需要进行一些调整。
90%建立时间测试
（1）什么是90%建立时间测试？
90% 建立时间测试测量动力系统在步进输入后达到其最终 RPM 值的 90% 所需的时间。例如，这是一种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，以确保读数准确。
（2）为什么要进行90%建立时间测试？
90%的建立时间测试允许设计师和控制工程师量化整个动力系统的反应时间 - ESC，电机和螺旋桨一起。这对于研究无人机的性能和弹性很有帮助，例如了解无人机从风爆等干扰中完全恢复的速度。
（3）如何运行90%建立时间测试？
该测试易于运行，因为它已在RCbenchmark软件中预先编程。该脚本向推进系统提供阶跃输入信号，使其从 0% 油门变为 100%。它同时记录达到最终RPM的90%所需的反应时间。
还会记录加速度，以提供紧跟在步进输入之后的加速度斜率的估计值。此数据作为额外列包含在输出.CSV文件中。
图4
飞行回放测试
（1）什么是飞行回放测试？
飞行回放测试是一种使用动力系统在实验室中复现现历史飞行过程的方法。您可以使用先前存储在机载飞行计算机中飞行数据的油门数据来执行此测试。
（2）为什么要进行飞行回放测试？
这种类型的测试很有用，因为它可以让您了解动力系统在不同飞行阶段的性能。您可以确定哪些阶段消耗的功耗最大，哪些阶段飞行效率最高。
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。它对于估算电池寿命特别有用。
（3）如何运行飞行回放测试？
第一步是将油门数据从无人机中导出到您的计算机上。然后，您可以将该文件作为.CSV 文件以创建自定义测试脚本。如果使用 RCbenchmark 软件，则需要编写自定义脚本。
将动力系统连接到测试台硬件后，软件将通过系统回放油门数据点。您将能够实时查看拉力、扭矩、RPM、功率等的变化情况。
正弦波测试和线性调频信号测试
（1）什么是正弦波和线性调频信号测试？
在正弦波测试期间，动力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，会经历一系列节流点。
在线性调频信号测试期间，平滑的正弦波信号被发送到动力系统，但现在频率随着时间的推移逐渐变化（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：线性调频信号的结构（来源：Wikiwand）
（2）为什么要进行正弦测试或线性调频信号测试？
正弦测试允许您在整个工作点范围内查看系统的性能。连续记录类似于扫描测试，该模式对于耐久性测试很有用。
线性调频测试允许用户测试ESC的完整速度变化范围。这可以告诉您 ESC 对油门变化的响应速度和程度。
它允许您在经历更高频率的命令时观察系统稳定性，并且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线性调频信号测试？
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：https://cdn-docs.rcbenchmark.com/scripts/sinewave.js。这可以与RCbenchmark软件一起使用。
执行线性调频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。
总结
本文讨论的无人机动力测试台自动测试项目在优化动力系统方面发挥了重要作用，通过这些数据可以帮助您更全面、更精准和更有效地优化革新无人机的动力系统。