共轴双旋翼无人机动力测试解决方案

前言

与传统的多旋翼无人机架构相比，共轴式多旋翼无人机具有结构紧凑、上下旋翼反转扭矩相消和良好的操控性等优势，同时可以为整机提供更大的动力，尤其在直升机领域，共轴双旋翼的设计受到了越来越多军工设计领域与民用领域人士的重视，在无人整机整体平衡设计上无需尾桨来平衡主旋翼的扭矩，即可在空中保持悬停，因此具有更高的悬停效率。据卡莫夫设计局的研究资料，通常共轴双旋翼直升机的悬停效率要比单旋翼带尾桨的直升机高出17%~30%。

然而同样是由于共轴双旋翼的翼间布局紧凑的原因，下旋翼大部分区域处于上旋翼的下洗流和尾迹涡干扰中，在上下旋翼之间存在非对称干扰，造成流场内部的气动干扰更加复杂。为了充分发挥共轴双旋翼的动力性能，减少不必要的功率损耗，因此对共轴双旋翼无人机的动力测试显得尤为关键。

一、系统概述

本文尝试从无人机生产制造商的角度来阐述全新一代的共轴双旋翼无人机动力测试系统，如何更全面、更精准和更高效地优化共轴双旋翼无人机的整机设计。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共轴双旋翼无人机动力测试台

测试台支持对共轴电机和共轴螺旋桨的推力，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。其中测试台两个动力系统共轴测试有以下几种结构形式:背靠背，面对面，或偏置测试。

与常规的无人机单电机+单旋翼测试台相比，共轴双旋翼电机测试方案引入了一些新的参数变量：

• 轴向距离：两个螺旋桨在轴向上的物理偏移量Z；
• 径向偏移：两个螺旋桨之间在径向上的物理偏移；
• 直径差异：两个螺旋桨可能有不同的直径；
• 螺距差异：两个螺旋桨可能有不同的螺距；

当同时控制两个电机和电调时，还需要一些额外的参数设置：两个螺旋桨之间的转速差，以及上游螺旋桨产生的空气速度和压力。仅使用单电机测试对上述所有这些参数进行建模非常复杂，所以我们建议首先确定测试需要的初始目标设置量。

一般来说，无人机上的共轴双旋翼动力系统大多采用背靠背设计。背靠背设计的优势主要在于两个电机都安装在同一个无人机框架结构上，进而减少无人机自身结构的材料和重量。

当我们开始对共轴双旋翼无人机动力系统进行背靠背测试时，需要注意的是由于测试台本身的结构尺寸，共轴测试存在一个最小同轴距离。如果在背靠背设置中无法达到所需的轴向距离，我们建议使用面对面设置作为替代方案。面对面设置允许您在理论上达到0的最小距离，但伴随而来的缺点是这种设置的空气动力学效果可能与背靠背设置不完全相同。

根据Tyto内部测试数据，我们发现当所有螺旋桨都足够大时，背靠背设置和面对面设置之间的差异并不显著。换句话说，螺旋桨越小，产生的推力越小，拖曳效果越明显，测试结果越不准确。只有当螺旋桨在25kgf和40kgf版本的推力架上大于32”，并且在75kgf版本的推力架上大于40”时，才建议将推力架转换为面对面设置以运行同轴测试以降低同轴距离。

当我们完成共轴双旋翼无人机动力测试的前期相关准备工作后，接下来我们开始着手后续的测试，首先设置我们前面提到的相关参数：

• 上游螺旋桨：直径和螺距
• 下游螺旋桨：直径和螺距
• Z/D系数：轴向距离除以上游螺旋桨直径
• 重叠百分比：两个螺旋桨重叠的表面积

接下来确定共轴双旋翼电机的测试布局：将电机及其螺旋桨进行背靠背或面对面测试。并为整个测试系统制定一个您希望达到的目标推力输出。

假设在无人机动力系统上使用相同的电机和螺旋桨，那么下游螺旋桨可能会有25%到35%的动力损失。计算所需的单个推力输出。选择一些可以达到所需推力的电机和螺旋桨，同时充分考虑无人机的尺寸限制：使用测试台进行单电机测试，以首先测试选定的电机和螺旋桨的一般性能。

接下来选择多个可以适配同一电机的螺旋桨并进行测试：例如，您可以在同一电机上适配26”x8.5”和28”x9”和30”x10”螺旋桨，对所有的螺旋桨进行额外测试可能的组合。

在背靠背测试方案中，测量电机的高度和安装框架的最小厚度，以计算可以达到的最小轴向距离Z。

将尽可能小的螺旋桨（可以产生足够的推力且在单电机测试中具有不错的动力效率）作为上游螺旋桨，并在下游使用相同的螺旋桨。

导出Z/D因子并查看要达到的最小值，记下数字并设计几组带有增量的测试。例如，当你发现最小Z/D为0.17时，你可以尝试在0.17、0.20、0.23、0.26等处测试支架。我们认为超过0.5是超距，接近或大于此距离会失去测试意义。

测试同轴面对面或背靠背的目标距离并全功率运行：看看双电机系统是否可以产生足够的推力来进行起飞。进一步测试以获得双电机设置中每个电机和螺旋桨的单独性能：效率、功耗和计算飞行时间。

测试同轴面对面或背靠背的目标距离并以最大功率运行电机：看看双电机系统是否可以产生足够的推力进行起飞。进一步测试以获得双电机设置中每个电机和螺旋桨的单独性能：效率、功耗和计算飞行时间。尝试在下游位置使用更高螺距的螺旋桨继续运行上一步操作：查看单个螺旋桨的效率是否有所提升。

如果您希望最大限度地获得更高的输出效率，可以先尝试增加下游螺旋桨的直径和螺距；然后增加Z距离；对于大多数应用程序，最不理想的方法是添加径向偏移，因为它很复杂并且极难预测性能的整体优化。

2、开放式的无人机风洞测试系统

为了更加真实地验证我们无人机飞行性能，本次方案中选择了一款完全定制化的风洞产品来完成无人机的自由飞行测试。

本文所使用的风洞设备的主要设施是Windshaper风墙，其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，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。通过使用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。

Windshapers的独特之处在于可以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。为我们此次无人机的三维动态自由飞行测试、重复飞行测试创造了极为便捷的实验条件。

二、结束语

目前共轴双旋翼技术已经应用在国内很多民用无人机领域，包括农业植保无人直升机、电力巡挂、海关缉私、公安维稳、应急减灾、海监海事、地质勘探、地形测绘、科学研究和影视拍摄等领域。因其在相同级别的发动机下，共轴式直升机的有效载荷比单旋翼直升机更大，其机动性更强，更安全，体积相对较小，便于更小的场地起降，满足飞行器通过算法自主操纵的需要，操纵比单旋翼也更加简单可靠，通过我们后续对共轴双旋翼动力系统的持续不断深入地优化测试，这一技术在未来无人机领域地应用发展将不可限量。