多旋翼空气动力学：六旋翼飞行器推力表征

本方案用于表征六旋翼飞行器的推力与空气动力学特性。本实验采用市售的现成六旋翼飞行器组件，具体细节见表2。飞行控制器选用开源自动驾驶系统Librepilot⁹，因其具备灵活控制发送至六旋翼飞行器各电机指令的能力。

用于安装测力传感器和六旋翼飞行器的测试台由层压胶合板在内部加工制成，如图2所示。在设计测试台时需注意，其必须能够精确调节多旋翼飞行器的攻角，并具有足够的刚性以承受电机运行时产生的弯曲力和振动。

六轴力传感器安装在测试台上，并连接到数据采集板，如图3所示。该力传感器在六旋翼飞行器的机体坐标系中感知气动力和推力。应变片数据经过信号调理器传输。随后，数据采集（DAQ）板利用力传感器制造商提供的校准程序，获取模拟的力和力矩分量。DAQ板将这些值先存储在高速缓存中，再保存至永久磁盘。 

对于本方案，首先确定单个电机产生的力，然后测定作用在裸机架上的力，接着测定整个六旋翼飞行器产生的力与电机转速指令之间的函数关系。每次测试时，向所有电机发出相同的转速指令。

1. 测力计实验

测功机可直接测量推力、扭矩、转速（RPM）、电池电压和电流等参数。随后可根据公式（3）、（4）和（5）推导出电功率、机械功率和电机效率等参数。

1. 使用 USB 连接线将测功机连接到数据采集计算机。
2. 运行测功机配套的图形用户界面（GUI）。
3. 按照屏幕提示对测功机进行校准。当系统提示时，使用已知重量和杠杆臂长进行校准。
4. 将电机安装在测功机测试台上。
5.  按照图 4所示，将螺旋桨安装为拉力式（牵引式）配置。
6. 将电池连接至测功机。
7. 使用 C 型夹将测功机牢固地固定在工作台上。
8. 运行阶跃输入程序，并记录测量参数，包括推力、扭矩、电机转速（RPM）、电机电流以及脉宽调制（PWM）“油门”指令。

2. 静态推力测试

1. 使用安装螺丝将六旋翼飞行器固定在测力传感器测试台上。
2. 打开数据采集系统（DAQ），并运行测力传感器应变片调零程序。
3. 使用微型USB线缆将六旋翼飞行器的飞控连接至计算机，并打开地面控制站（GCS）软件。
4. 将电源连接至六旋翼飞行器。
5. 在GCS中选择“配置”选项卡 -> “输出”。连接所有电机，并启用输出的实时测试功能。
6. 将期望油门指令设置为1300 ms。确保所有电机能以相同的油门（PWM）指令运行。 
7. 让系统稳定数秒后，运行DAQ程序以采集测力传感器的数据。
8. 数据采集完成后，关闭电机。
9. 对油门指令1500 ms和1700 ms重复执行步骤3.6至3.8。
10. 将DAQ系统中存储的数据传输至数据处理计算机及长期存储设备。

3. 动态推力测试

进行一系列风洞试验，以表征和分析六旋翼飞行器在不同空速和攻角下的线性空气动力，主要是升力和阻力。在风洞实验过程中，假设六旋翼飞行器处于稳态飞行条件。因此，六旋翼飞行器速度矢量的大小等于空速，并假设在世界坐标系中为水平方向。升力和阻力主要由空气流经六旋翼飞行器周围产生。需要注意的是，此处的升力和阻力是指作用在六旋翼飞行器上的总升力和总阻力；侧向力可忽略不计。

本实验中进行的实验步骤与Foster¹⁰和Russell¹¹报道的方法类似。在风洞测试期间，六旋翼飞行器由插入建筑物交流电源的电源转换器驱动，以确保所有测试过程中电源和电压水平保持一致。请注意，电机在高转速（RPM）下可能消耗较大的电流；应使用线径较粗且长度较短的导线，以防止运行期间导线上的电压降过大。

1. 将六旋翼飞行器安装在测力传感器测试台上
2.  将测力传感器连接到数据采集计算机，并按照静态推力测试中所述方法，将六旋翼飞行器连接到地面控制系统（GCS）
3. 使用C型夹将测试台固定在风洞底部
4. 确保多旋翼飞行器远离风洞的墙壁、地面和顶部，以尽量减少自由来流的扰动和反射
5. 将皮托管安装在距离六旋翼飞行器数英尺远的位置，以采集未受干扰的气流；将皮托管压力传感器连接到数据采集系统
6. 通过调节测试台的铰链关节，将六旋翼飞行器的俯仰角设为0°。在风洞中，六旋翼飞行器的俯仰角与攻角相同
7. 运行偏置程序，确定测力传感器的电压偏置值
8. 将风洞初始化至风速2.2 m/s
9. 当自由来流风速稳定至目标值后，在六旋翼飞行器电机关闭状态下，采集测力传感器的基线力和力矩（FT）读数
10. 将油门指令初始化为1300 ms，待风洞内空速稳定后，采集FT和皮托管数据
11. 对油门指令1500 ms和1700 ms重复步骤3.7至3.9
12. 根据表1中规定的不同六旋翼飞行器俯仰角和风洞空速值，重复步骤3.5至3.10