无人机动力系统测试的必要性

用无人机动力测试台测试电机和螺旋桨

在无人机和eVTOL飞机的开发设计过程中，优化无人机的电机和螺旋桨组合可以实现无人机的最佳性能。

制造商的参数数据可以帮助您初步挑选符合您设计需求的电机和螺旋桨，但是不经过标准的测试无法比较不同制造商的零件。

用无人机动力测试台测试电机和螺旋桨可以完成以下项目：

增加飞行时间	诊断
增加有效载荷	安全
增加航程	认证
噪音水平测试	结构设计
振动测试	质量保证
可靠性测试	油门响应
飞行中的结冰测试	飞行复制
预防性维护	电机热测试

增加飞行时间

测试电机和螺旋桨的一个主要原因是增加无人机的飞行时间。增加无人机的飞行时间将使您能够拍摄更长的视频、收集更多数据、保持目标跟踪、更长的飞行距离。简单的测试和修改可以为您的飞行续航增加宝贵时间，让您领先于竞争对手。渥太华大学的两名机械工程硕士生就是一个很好的例子，他们通过测试各种电机和螺旋桨组合，将他们的无人侦察直升机的飞行时间延长了一倍以上。

在整个测试过程中，学生们选用了同性能中更轻的电子元器件，并找筛选出更高效的电机。结果是他们在不影响噪音和有效载荷的情况下将直升机的飞行时间从3分钟增加到7分钟。此示例表明，可以通过以提高电机和螺旋桨的效率对设计进行基本修改来改善飞行时间。

增加有效载荷

许多新兴的无人机应用要求无人机有效载荷的携带能力更长、更远。满足有效载荷能力的要求通常需要测试多个电机和螺旋桨，但最初的投资几乎总是会因为改进你的无人机的操作而得到回报。最大化无人机的有效载荷能力对于eVTOL设计、运输和交付、航空拍摄、物流运输等行业非常重要。

业余爱好无人机的有效载荷通常高达2公斤，而“重型”类别的无人机可能携带数百公斤的货物。无论您的有效载荷要求是什么，测试多个电机/螺旋桨配置都可以帮助您提升有效载荷。总部位于东京的航空航天公司SkyDrive利用此类测试来优化其无人机的几何形状、尺寸和组件。最近，他们能够制造出一架能够以30公斤有效载荷飞行15分钟的重型无人机。他们的最终产品“CargoDrone”包含4个同轴转子，共8个螺旋桨和电机。

 

增加飞行航程

现在无线电技术通信数据链极大地增强了我们将无人机飞入未知领域的能力。限制因素不再是我们可以与无人机通信多远，而是无人机一次充电可以在空中停留多长时间。测试无人机的推进系统有助于通过最大限度地提高动力系统效率来扩大其航程，从而延长飞行时间。当飞行任务进入人迹罕至的环境或水上时，这一点尤其重要。

如果无人机没有足够的返航动力，它可能会完全丢失。当无人机执行航空摄影或侦察任务时需要保证无人机能够返航、收集到的数据能够回收。有了这个保证，就可以放心执行飞行任务。测试和优化你的推进系统可以使这些飞行成为可能，同时还可以确切地知道你的无人机会带来什么好处。

噪音水平测试

尽管无人机应用和eVTOL飞机有很好的发展前景，但最大的社会担忧之一仍然是噪音水平的提高及其对我们环境的影响。由于无人机有可能飞过头顶运送包裹、建筑物巡检和载人上班，这种担忧是可以理解的。对于许多无人机应用而言，产生的声音量将是决定它们是否投入使用的重要因素。这不仅适用于日常应用，尤其适用于需要静音的监视和侦察操作。测试无人机的推进系统可以在试飞之前预测产生的噪音水平并解决相应的问题。这样可以设计出更有效和更具竞争力的无人机解决方案。

降低噪音技术在现实应用中的例子是野生动物监测和保护工作。海洋联盟的“SnotBot”计划利用改良的消费无人机从鲸鱼身上采集有机样本，以更好地了解鲸鱼的健康状况。这些探险中使用的无人机异常安静，以免打扰或惊吓鲸鱼，这是他们研究可以持续的首要要求。电机和螺旋桨产生了无人机中的大部分噪音，因此测试和比较电机和螺旋桨是设计最安静无人机的最佳选择。

振动测试

所有动力系统都会产生一定程度的振动，但过度的振动会损坏组件、降低效率。为您的推进系统运行振动测试是平衡螺旋桨、检测效率低下和简化设计的好方法。这样可以延长无人机零件的使用寿命并提高性能。

减少振动在无人机航拍领域尤为重要，因为振动会导致视频抖动或模糊，这是果冻效应造成的。稳定器和后期编辑可以提高视频的质量，但降低无人机自身的振动可以在应对振动量上节省更多的时间和金钱。通过一些测试和优化可以轻松实现这些更流畅的飞行和视频。

可靠性测试

由于无人机的故障率比商业航空中观察到的故障率高出大约两个数量级，因此无人机行业的可靠性还有很大的提升需求。为了让无人机能够替代目前有人驾驶飞机所能实现的功能，它们的可靠性或平均故障间隔时间(MTBF)必须提高。测试无人机动力推进系统有助于预防和预测故障，因为数据可以提供对组件状态的检测评估。

例如，执行可靠性、可用性、可维护性和安全性(RAMS)评估是证明我们无人机可靠性最直接的办法，测试得到了行业的认可和消费者的信任。得到优化的系统，经过可靠性测试并优化的系统，可靠性测试数据可以展示其性能甚至可以作为产品营销优势。

飞行中的结冰测试

测试电机和螺旋桨有助于了解环境因素对无人机的影响，例如飞行中结冰的风险和影响。飞行中结冰或“大气结冰”可能是影响无人机操作的主要障碍，因为结冰会改变飞机的空气动力学特性。积冰会导致重量和阻力增加，从而导致升力损失进而影响无人机的飞行能力。美国宇航局的风洞实验还展示了温度和螺旋桨类型如何影响积冰，并且扭矩随着暴露在结冰条件下的时间线性增加。对于在寒冷气候、高海拔和具有挑战性的天气条件下运行的无人机而言，耐寒性是关键。

了解无人机对低温的反应有助于相应地对其进行设计，并确定其运营是否需要对除冰产品进行额外投资。UBIQ Aerospace是除冰技术的世界领先者，通过在风洞实验中测试螺旋桨的空气动力学特性来研究积冰对无人机的影响。他们的测试使他们能够改进他们的D•ICE技术，以减少固定翼无人机的积冰。对于任何寒冷天气的无人机操作，螺旋桨测试都是预测性能的宝贵信息来源。

 

预防性维护

因无人机零件磨损引发的故障造成整个无人机坠毁或损坏，会带来很大的经济损失。在零件的磨损达到极限之前替换或维护零件可以避免发生重大的故障问题。通过无人机测试台可以了解零件的磨损情况。

轻微的磨损有时并不是很明显，水或碎屑造成轻微的侵蚀会影响电机效率，降低无人机的性能。随着时间的推移，螺旋桨也会变得不平衡，振动也会增加，从而加重整个推进系统的磨损。测试动力总成的有助于发现因磨损造成的系统效率降低的问题，从而制定定期的维护计划。

测试您的电机和螺旋桨是该协议的重要组成部分，因为损坏并不总是很明显。水损坏或碎屑造成的轻微侵蚀会影响电机效率，从而限制无人机的性能。随着时间的推移，螺旋桨也会变得不平衡，并且会增加振动，从而磨损整个推进系统。作为预防性维护计划的一部分，测试您的动力总成有助于发现这些低效问题，从而提高无人机性能并节省大量时间和金钱。

诊断

除了设计阶段，电机和螺旋桨数据在整个生命周期中都非常重要。例如，每隔50个飞行小时记录一次诊断可以帮助监控无人机的性能。此类测试可用于检测磨损和效率损失。

诊断电机和螺旋桨测试还可以深入了解无人机为何没有发挥最佳性能，或者警告它可能由于不可预见的损坏而无法达到预期的性能。在高温、高湿度或灰尘和碎屑环境中运行的无人机可能会比预期更快地磨损，飞行时间和动力性能可能会大大降低。推进系统的诊断测试可以在故障发生之前检测到性能降低情况，防止潜在的危险发生。

安全

安全可能是无人机和载人电动垂直起降行业投资者和监管机构的首要关注点。如果没有一定的安全保证，飞行器将不被允许进入市场并为其服务。通过测试系统的组件，尤其是每分钟完成数千转的电机和螺旋桨，可以相对轻松地实现更安全的设计。

更好地了解这些元素有助于防止过热、发动机故障、动力损失等，从而防止事故和伤害。随着我们的天空越来越多地被飞行器占据，人们必须确信他们将按照规定执行，不会对人的活动构成威胁。安全测试可以显著提高单个车辆和整个行业的可信度，保证性能并让投资者、监管机构和公众等放心。

认证

许多常见的无人机操作都需要以豁免或豁免形式获得监管机构的特别许可。例如，在美国，任何未包含在FAA小型UAS规则第107部分中的操作都需要豁免。需要豁免的操作清单包括夜间飞行、超视距飞行(BVLOS)、飞越人、高于地面400英尺(AGL)或每小时超过100英里。这个列表自然与许多业余爱好和商业无人机操作的活动重叠。

获得豁免在很大程度上取决于申请人向FAA证明其操作是安全的能力，而对无人机推进系统的广泛测试是评估安全的重要部分。执行和演示推进测试的可复制性可以极大地支持豁免申请，同时为设计人员提供有价值的信息。虽然世界各地的法规各不相同，但许多设计人员会发现推进数据对于世界各地的无人机认证有用或强制性。 

 

结构设计

提高无人机的效率是一个循环过程，始于某些假设。这些假设可以包括无人机的总重量和单个组件的重量，以及它的预期用途。一旦做出这些初步假设，推进测试可以帮助确定您的设计是否满足其拟议目的的要求。对于竞速无人机，您可以确定您的设计是否满足速度要求，或者对于交付无人机而言，它是否会达到最短飞行时间。

最好的部分是，如果您的初始设计不能满足您的需求，您可以更换新的电机和螺旋桨以找到理想的配置。找到理想的动力总成设置后，您还可以继续尝试新电池或修改车架。初始假设指导优化过程，但一旦完成一轮审查，您就可以对设计的其他修改做出正确的决定。

质量保证

推进测试可以加强为潜在投资者和客户提供的质量保证。经过严格测试的性能数据是提高产品竞争力的和营销宣传的绝佳方式。测试电机和螺旋桨的数据可以让设计人员可以轻松的知道指标是否达到了产品设计要求。

推进系统测试还可以进一步标准化产品，确保每个单元的性能相同，提高出厂良品率。测试电机和螺旋桨是质量保证合法化并确保产品之间一致性的好方法。

油门响应

通常有必要了解推进系统对控制输入变化的反应速度。来自此类测试的数据可以深入了解无人机对阵风等干扰的反应速度。物理测试推进系统反应性的典型方法是对其进行频率扫描控制信号。频率扫描是一个正弦信号，其频率不断变化以覆盖要测试的整个频谱。通过收集到的数据，无人机设计人员可以确定推进系统对油门突然变化的反应速度。

了解动力系统反应时间的另一种方法是对其进行步进输入。在高速记录数据时，会应用油门的突然变化。一段时间后，螺旋桨稳定到新的转速。稳定速度所需的时间称为稳定时间。最后，PID测试可以通过控制一致的目标拉力来测量推进系统在较长时间内的一致性。可以使用具有足够脚本功能的无人机拉力测试台执行这些测试，从而全面了解无人机的油门响应。

飞行复制

推进测试有助于为农业、测量、研究等应用提供更简单、更高效的飞行复制。使用推进测试设备记录飞行的能力使设计人员能够自动规划和保存路线，然后再重现油门数据。即使在实验室内，设计人员也可以根据收集到的电机和螺旋桨性能数据优化他们的飞行计划。自主无人机技术的农业应用通常基于效率原则，最大限度地减少劳动力和投入成本，同时保护人类健康。

Airboard Agro的农业无人机就是一个很好的例子，因为它在具有挑战性的地形中按照预先设定的路线喷洒农作物，执行以前由人完成的繁重和重复的工作。为了真正获得这项技术的好处，无人机应该针对它们将执行的特定任务进行优化，同时考虑到所需的速度、拉力和稳定性。推进测试是改进这些飞行复制并确保无人机在自主任务中达到最大效率的重要资源。

电机热测试

无人机故障的最常见原因之一是发动机过热导致发动机故障。电动机通常会提供最高温度和电压额定值，但可能不清楚您的电动机何时接近这些限制。此外，尽管发动机冷却取决于电流，但电流额定值在行业中并不是标准的。测试电机极限的一种方法是使用热探头以不同的速度间隔测量其温度，这是一种避免故障的有用策略。

在俄亥俄州的肯特州立大学，Blake Stringer博士的实验室正在对电动机进行此类热测试，以研究其热特性并研究在高功率条件下对sUAS eVTOL电动机的管理。他们实验室制作的视频展示了热失控的不幸后果，导致电机过热和损坏。随着无人机操作变得更长并进入更恶劣、更热的气候，这些研究变得越来越重要。在设计过程的早期测试电机可以防止过热并最终节省更换它们的成本。

结论

我们希望这篇文章展示了测试无人机推进系统带来的众多好处。我们提供了多种工具来执行这些测试功能并帮助您将设计提升到一个新的水平：

• 1520系列拉力支架 - 功率和拉力测量高达5kgf
• 1580系列测试台 - 功率、拉力和扭矩测量高达5kgf
• 1780系列测试台 - 在单电机或同轴配置中测量高达75kgf的功率、拉力和扭矩
• Windshapers - 用于自由飞行测试的露天风洞

我们的测试台测量拉力、扭矩、RPM、电流、电压、机械功率、电力、电机效率、螺旋桨效率和整体效率。