基于脚本的全固态无人机动力测试台&开放式风洞测试系统

【摘要】

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。

【关键字】

拉力测试，扭矩测试，无刷电机测试，螺旋桨测试，电调测试，实时动态测试，重复飞行测试、自由飞行测式

随着无人机产业近年来全球范围内飞速的迭代发展，催生了众多新兴产业并重新定义了传统意义上诸多应用方向，无论是在宏观层面上的国防、前沿科技，还是在普通民众生活的方方面面，无人机已然成为大家工作和生活中不可或缺的一部分。

当前国内针对中小型无人机的动力测试主要涉及固定测试台的静态测试，如需更进一步测试相关性能的，也会有将无人机固定到封闭式小型风洞里做进一步测试，但往往仅限于无人机某一局部性能的测试优化，无法做到对无人机整机系统三维真实飞行状态全方位且高精度的实时动态测试。

本文尝试从无人机生产制造商的角度来阐述全新一代的无人机动力测试系统，如何更全面、更精准和更高效地优化无人机的整体设计。

一、系统概述

以国外某无人机开放式风洞动力测试系统tyto&windshape为例，系统主要由全固态高精度的无人机动力测试台和模块化、开放式的数值风洞系统两部分组成。上述硬件部分均支持基于python脚本的自定义软件控制，其重新定义了无人机的动力测试项目，极大地增强了生产厂商对无人机全生命周期的综合态势感知能力。

1、全固态高精度tyto无人机动力测试台

测试台支持对电机和螺旋桨的推力，扭矩，转速，电流，电压，温度，空速，螺旋桨效率和电机效率的测量帮助您精准地描述和评估其性能参数。同时支持以下几个细分选择测试版本：

• 标准版：静态测试测量值标准范围下的基本特征性能测试；
• 专业版：为设计人员提供动态测试下更宽泛的测量值范围，支持更高的准确度以及增强的特征性能测试，同时支持更高的采样率和两个额外的通用模拟输入信号；
• 共轴测试台（标准版和专业版）：两个动力系统共轴测试有几种结构形式:背靠背，面对面，或偏置。
• 多种能源动力系统测试版本：设计专用于分布式电力推进(DEP)测试，支持同时记录多达8个动力系统的性能测试。

系统主要应用方向：

• 实时动态测试：1000Hz采样率使真正意义上的动态测试成为可能，支持执行频率和步进输入参数识别；
• 三维飞行再现：将你的飞控数据上传到软件中，当推进系统连接到试验台后重新创建油门输入；
• 效率和功率特性测试：测量电机、螺旋桨和整个系统的效率，并比较电力输入和机械输出的对应关系；
• 耐久性和可靠性测试：使用自定义设计的自动化测试脚本来研究无人机系统组件的持久性。我们用户友好的脚本界面允许您轻松编程测试步骤，斜坡测试，飞行回放测试，或您提出的任何通讯协议；
• 分布式电推进动力系统(DEP)测试：支持同时测试多达8个动力系统，帮助全面了解您多旋翼无人机的技术性能，支持单独记录每个独立的动力系统以及整体系统记录分析。

系统配备的测试台软件可以用于控制试验台和记录测量数据，支持用户精准的手动或自动编译其测试脚本程序。如果用户希望手动控制测试台，只需要在前端程序中输入对应值即可；如果用户爱好编程，可以直接在用户界面配置脚本文件，或使用Python API完全控制测试台软件。

• 手动控制试验台并实时查看记录数据；
• 使用不需要编程的脚本接口自动化测试；
• 使用Python API控制整个系统；
• 上传飞控中的.CSV文件来执行飞行回放测试；
• 直接在软件中保存测试或将它们导出为.CSV格式文件；
• 在导出较小的文件之前重新采样数据；
• 该软件支持多达8个多动力系统的同时测试，您可以命名每个动力系统，以便于单独分析。测试台支持自动连接软件，并允许用户自定义调整传感器噪声过滤选项。

2、开放式的无人机风洞测试系统

用户可以选择完全定制化的风洞产品，为无人机的自由飞行测试提供了无限可能性。用户可以根据需要自由选择Windshaper风洞的尺寸、外形和相关配件。系统被设计专用于研究不同风廓线对电机、螺旋桨、ESCs、电池、无人机和任何电动飞机的影响。

风洞设备的主要设施是Windshaper风墙，是专门按用户需求定制而成。Windshaper由可堆叠的模组组成，每个模组各有9个网格风扇单元。每个网格风扇单元各自配备了2个反向旋转的风扇，可产生最高至16m/s的风速（借助收风装置风速最高至45m/s）。如同电视显示屏的像素越高视图越清晰一样，Windshaper风墙的数百个网格风扇单元使用户可以对气流实现超精准的控制。用户可以使用WindControl软件来管理风洞，通过简单的命令即可精确地控制风洞产生的风。

应用研究方向：

• 自由飞行测试
• 着陆阶段优化
• 确定湍流极限
• 固定翼外型设计优化
• 研究不同风廓线下的性能
• 飞行中的垂直起降过渡
• 防水性能评估
• 无人机故障影响（GPS信号缺失，动力失效，传感器失效）

系统超级亮点：3D风廓线

Windshapers的独特之处在于他们创造动态风廓线的能力，传统的风洞只能提供均匀的气流，而Windshapers通过3D输入(u=ƒ(x, y, t)可以创造出诸如风切变、湍流和时变风等特定条件的风况。

1）均匀层流

这个设置可以用来模拟无人机以给定速度在静止的空气中飞行的场景。这是通过设置Windshaper的流动风速（单位：m/s）使得无人机在悬停的状态下能够在测试区域的空中静止飞行。在这种场景下，气流与无人机的相对风速就等同于无人机能够起飞的风速。

2）湍流

非常适合模拟无人机由于天气和自身拓扑结构在其工作环境可能遇到的场景。在测试环境中，通过控制网格风扇单元的风速来模拟湍流的水平。湍流水平可以在网格风扇单元间相同也可以在不同的测试区域中呈现不同的水平。

3）风切变

“风切变”一词描述的是风廓线中的相邻气流层以不同的速度彼此平行的流动,它会在墙体、树叶或是有明显热效应的区域产生不稳定的气流。风切变的模拟可以先通过在一个网格风扇单元阵列设定一个较低的风速，然后再在相邻的另一个网格风扇单元阵列中设置一个较高风速来实现。

4）时变风

用户可以改变网格风扇单元的风速随时间变化来创造独特的时变风廓线，例如将其中一个网格风扇单元的初始风速设定为2m/s，然后不断上升至10m/s，随后再调整下降至2m/s等操作，用户将得到像下图正弦波一样的风速变化曲线。

5）阵风

阵风风速的突然变化对无人机的导航性能极具挑战性，我们可以通过不断控制网格风扇单元风速的急剧变化来真实的模拟阵风，这有助于帮助用户研究无人机阵风条件下的偏移或抗风阻能力，同时也可以有效的检验飞控的灵敏度。

6）垂直风

无人机着陆时会直接受到机体本身引发湍流（下降气流）的不稳定影响，我们可以将Windshaper水平放置去生成相对于无人机湍流的真实模拟场景。

软件系统

风洞系统通过WindControl软件实现管理，只需简单的命令即可让用户完全精准的控制风力。

您也可以手动选择希望激活的网格风扇单元，或者输入一个数学函数来再现任何稳定的或时变的风廓线。另外你还可以使用WindShape Python 3.x的Python脚本通过控制API来直接控制风洞。

• 风廓线的动态控制u=ƒ(x, y, t)
• 超短时长动态控制，步进0.1s
• 单个网格风扇单元涡流控制
• 升级版WindControl 2.2版本软件
• 多平台兼容性(操作系统)
• 用户通过以太网连接风洞实现网络通信
• Python 3.x API自定义脚本接口
• 基于Web的图形用户界面

二、结束语

随着越来越多的国家致力于支持无人机创新和基础设施建设，tyto&windshape的全固态高精度无人机动力测试台和模块化、开放式风洞测试系统的最佳组合测试解决方案，使得无人机全生命周期的可控、可重复的3D自由飞行测试、验证和认证成为可能，从而帮助生产商对无人机实现持续的商业化运营；另外将无人机在高速动态的3D风况中连续精准地控制飞行测试，也将帮助研究机构人员对无人机相关理论技术进行细致深入地研究，进而更加地促进无人机行业地健康有序发展。