劉楷成

重慶市育才中學(xué)

關(guān)于四旋翼無人機的總體動力效率研究

劉楷成

重慶市育才中學(xué)

為了更好的對四旋翼無人機的總體動力效率進行研究，本文針對電機效率以及電機的工作溫度進行了對比實驗。在介紹了電機的原理與旋翼分類的基礎(chǔ)上，對實驗平臺以及實驗原理進行了分析，最后進行了電機推力效率以及電機溫度實驗測試。

四旋翼無人機；電機溫度；電機效率

前言

科學(xué)技術(shù)的不斷進步，使得我國的多旋翼控制技術(shù)日漸成熟，多旋翼飛行器也在大范圍內(nèi)得以推廣使用，特別是在電力行業(yè)。但是，多旋翼飛行器的續(xù)航能力較固定翼無人機而言，均在較大的差異，極大了限制了自身發(fā)展。鑒于此，本文分別站在推力效率與電機工作溫度這兩方面，對四旋翼無人機的動力效率問題進行了全面的性能測試，以期為多旋翼無人機動力系統(tǒng)的的優(yōu)化設(shè)計，提供更加全面的實驗數(shù)據(jù)支撐。

一、電機原理與旋翼分類

（一）電機原理

通常情況下，多旋翼無人機均是選擇外轉(zhuǎn)子無刷電機，主要是因為其外轉(zhuǎn)子電機的扭矩比較大[1]。而電機KV值指的是空載狀態(tài)下，電機的電壓沒增加1V時，轉(zhuǎn)速增加的數(shù)值，KV值越高轉(zhuǎn)速便越快，其所適配的螺旋槳的尺寸也越小。

在選擇電機的過程中，電機自身的最大推力范圍、電機溫升、電機重量、電機使用以及推力-推力效率曲線、推力-功耗曲線等，是最應(yīng)該注意的參數(shù)選擇。

（二）多旋翼分類

通常情況下，多旋翼螺旋槳指的是定距漿，多數(shù)用連續(xù)的四位數(shù)字來表示，數(shù)字的前兩位代表漿徑，后兩位表示的則是螺距，其數(shù)字單位是in，1in=25.4mm。一般來說，漿葉的數(shù)量越多，則其升力便越大，對應(yīng)的電機螺旋槳的推力效率便越低[2]。多旋翼螺旋槳主要包括正漿與反漿，正漿指的是從漿的頂部向下看時，處在逆時針旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的螺旋槳，而反漿指的則是從漿的頂部向下看時，處在順時針旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的螺旋槳。

二、實驗平臺以及實驗原理

（一）實驗平臺的結(jié)構(gòu)

驅(qū)動器是由電源模塊進行供電的，并且由遙控器對驅(qū)動器進行控制，驅(qū)動電機工作，進而驅(qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)動，螺旋槳轉(zhuǎn)動之后會產(chǎn)生一定的升力，驅(qū)動杠桿沿著支架進行傾轉(zhuǎn)，并在杠桿原理的作用下，升力會從配重塊傳遞到電子秤上，進而實現(xiàn)升力測量；與此同時，利用電源模，可以對電源的供電電壓與供電電流進行測量，進而計算出電源的消耗功率。

其中：P是消耗電功率，單位為W；

U是電源電壓，單位為V；

I是電源的供電電流，單位為A；

由力矩平衡理論可以得知：

其中：F升是螺旋槳升力，單位為N；

G左是左側(cè)螺旋槳組件的總重量，單位為N；

L左是螺旋槳軸線與軸承之間的距離，單位為mm；

G右是配重的重量，單位為N；

N壓是配重對電子秤的壓力，單位為N；

L右是配重桿軸線與軸承之間的距離，單位為mm。

因結(jié)構(gòu)尺寸導(dǎo)致：

L左=L右

故：

因電子秤能夠歸零，故ΔG可以為0，代入上式可得：

由牛頓第三定律可以求得：

其中：M讀是電子秤的讀書，單位為g；

G是重力加速度，單位為m/s2；

其中：η是系統(tǒng)推力效率，單位是g/W。

（二）測試內(nèi)容

測試動力系統(tǒng)效率應(yīng)該從以下兩方面入手，一是推力效率曲線的測試，二是電機工作溫度的測試[3]。其中，推力效率的測試，主要包括螺旋槳推力測試、電壓與電流測試、油門開度測試；而電機工作溫度測試主要應(yīng)測試電機溫度、油門開度等參數(shù)。

測試需要用到的實驗設(shè)備主要包括：電機、電源、電子秤、螺旋槳、接收機、電調(diào)、紅外測溫槍以及測試實驗臺實物[4]。

三、電機推力效率以及電機溫度實驗測試

（一）推力效率測試

推力效率的測試主要利用杠桿式拉力測試實驗臺，并分成四步驟進行：

（1）首先，要將動力電機與螺旋槳安裝在實驗臺之上的對應(yīng)位置上；

（2）測試臺通電，設(shè)置測試電壓，并且完成相應(yīng)的校準操作；

（3）將油門開度合理控制在20%至100%的區(qū)間內(nèi)，且每隔5%設(shè)置一個采集數(shù)據(jù)點，并在每個數(shù)據(jù)點穩(wěn)定10s后，在開始采集功率以及推力讀數(shù)；

在本次實驗中，選擇統(tǒng)一規(guī)格的電機，以及29*9.5、28*9.2、27*8.8、26*8.5、22*6這5種不同規(guī)格的螺旋槳，分別在電壓為44.4V、22.2V與29.6V的情況下進行實驗，并將其進行組合實驗。

首先，對同一款電機，在電壓相同的情況下，對比尺寸不同的螺旋槳的工作推力、電流以及效率。

對上述曲線進行分析，可以得出如下結(jié)論：（1）同一規(guī)格電機在漿葉不同的情況下，電流值會隨著拉力的增加而增加，并且漿徑越大，拉力越大，需要的電流消耗也就越大[5]。但是，在拉力相同的情況下，螺旋槳的漿徑越大，電流就越小。

其次，對于同一規(guī)格的電機，施加不同的工作電壓對比不同規(guī)格的螺旋槳的工作推力、電流以及工作效率進行。

在符合上述規(guī)律的前提下，通過對比分析可以看出，同一規(guī)格的電機，在螺旋槳漿徑相同的條件下，若最大的拉力值與電流值越大，則其拉力與電流的范圍便越大，且在某種特定的拉力條件下，電源電壓越大，螺旋槳的工作效率越高[6]。但是，由于電機與電池自身重量以及效率問題的影響，并非是電壓大效率高的組合就是最佳組合。

（二）電機工作溫度測試

在測試電機工作溫度的過程中，需要借助非接觸式紅外測溫設(shè)備，其測溫的范圍大概在0℃至100℃之間，精度為1%，電源為24V直流電壓。在測試電機工作溫度之前，需要將紅外測溫設(shè)備事先安裝在試驗臺架之上，具體步驟如下：

（1）電機溫度。將電機與螺旋槳安裝再杠桿實驗臺的相應(yīng)位置上，之后對測試臺架電，設(shè)置測試電壓，完成校準操作，同時對環(huán)境溫度進行記錄：首先，對油門開度進行控制，使其在50%、75%、100%時分別停留三分鐘，并將電機的工作溫度進行測量與記錄；其次，在測試的過程中，必須保證外界環(huán)境溫度相同[7]。此次試驗中，選擇上文中敘述的拉力與效率測試組合形式，各自進行溫度測試，在50%、75%、100%三個信號輸出位置上測得電機溫度之后，借助紅外測溫設(shè)備對電機的溫度數(shù)據(jù)進行采集。

（2）不同角度和狀態(tài)數(shù)據(jù)。對于同一電機而言，當(dāng)電壓與螺旋槳保持不變時，電機外轉(zhuǎn)子的溫度變化，對其進行分析可知：調(diào)速器輸出增加，則電機的工作溫度也會增加。同時，電機螺旋槳的直徑不斷增大，其工作時的溫度也會增加。

結(jié)論

本文主要從推力效率與電機工作溫度這兩方面為著手點，對四旋翼無人家的總體動力效率進行了實驗分析，通過對實驗數(shù)據(jù)進行分析可知：電機的工作效率是受拉力輸出影響的，拉力不斷增加則電機的工作效率便會不斷降低。因此，在對多旋翼無人機的動力系統(tǒng)進行優(yōu)化的過程中，必須重點關(guān)注拉力變化對電機工作效率的影響，進而不斷的增強多旋翼無人機整體的動力效率。

[1]史騰飛，陳國青，劉榮海，等.四旋翼無人機的動力效率實驗研究[J].云南電力技術(shù)，2017，01：73-78.

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[3]張秦嶺，黃建，劉曉倩.長航時太陽能無人機總體設(shè)計方法和分析[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，02：12-15.

[4]齊俊桐，劉金達，楊麗英，等.自研軟翼無人機自主飛行控制與仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2015，12：2988-2997.

[5]李洋，靳宏斌，趙曉霞，等.鈍前緣三角翼無人機氣動特性研究[J].航空工程進展，2016，02：158-164+258.

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[7]王剛，胡峪，宋筆鋒，等.電動無人機動力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及航時評估[J].航空動力學(xué)報，2015，08：1834-1840.