無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)踐課程方案設(shè)計(jì)研究范文

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摘要：無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)踐課程是高校無(wú)人機(jī)專(zhuān)業(yè)教學(xué)的重要組成部分。通過(guò)設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置測(cè)試平臺(tái)軟硬件和配套實(shí)驗(yàn)課程，提出無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)踐課程的設(shè)計(jì)方案，旨在提高學(xué)生對(duì)無(wú)人機(jī)動(dòng)力選型總體設(shè)計(jì)能力及實(shí)踐動(dòng)手能力，增加課堂深度并提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；動(dòng)力裝置；測(cè)試平臺(tái)；實(shí)踐教學(xué)；實(shí)驗(yàn)室

1引言

近年來(lái)，各高校相繼開(kāi)設(shè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)工程專(zhuān)業(yè)，對(duì)無(wú)人機(jī)尤其是民用無(wú)人機(jī)的教學(xué)研究的投入也逐年增加。與傳統(tǒng)開(kāi)展的高等航空學(xué)科教育相比，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的教學(xué)更集聚理論性、技術(shù)性和實(shí)踐性三個(gè)環(huán)節(jié)，任一環(huán)節(jié)脫節(jié)都可能造成學(xué)生理解困難或者眼高手低，從而無(wú)法滿(mǎn)足課程或者學(xué)科的培養(yǎng)要求。因此，如何改進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程以適配日益進(jìn)步的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)，成為相關(guān)高校教師面前的難題。高校和學(xué)者針對(duì)無(wú)人機(jī)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中理論和實(shí)踐脫節(jié)的問(wèn)題，一直在教學(xué)改革中不斷摸索和探尋[1-2]。動(dòng)力系統(tǒng)是民用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中理論深度較高的一個(gè)子系統(tǒng)，涉及的學(xué)科包含結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、剛體動(dòng)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、模擬電路、數(shù)字電路與信號(hào)處理等[3]，學(xué)科理論的交叉融合給學(xué)生的學(xué)習(xí)理解和實(shí)踐探索造成諸多困難。目前，在“民用無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)踐入門(mén)”或類(lèi)似課程中針對(duì)此子系統(tǒng)的傳統(tǒng)教學(xué)中，較注重理論推導(dǎo)引出的抽象性結(jié)論，雖然輔以多媒體課件和教師板書(shū)講解，但由于教學(xué)過(guò)程具有很強(qiáng)的主觀性，再加上學(xué)生基本不具備無(wú)人機(jī)相關(guān)研發(fā)或從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，只能以想象、抽象的形式被動(dòng)地接受知識(shí)點(diǎn)或結(jié)論，對(duì)知識(shí)的理解吸收程度普遍不高。對(duì)于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)特別是民用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，實(shí)踐不可脫節(jié)，于是部分改進(jìn)后的課堂教學(xué)引入模型靜態(tài)展示或者簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)展示，以教師在講臺(tái)上講解演示、學(xué)生臺(tái)下觀察為主，學(xué)生只能感性地、片面地認(rèn)識(shí)無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的部分特征，教學(xué)效果有所改善，但還是不能滿(mǎn)足要求。動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)放式實(shí)踐教學(xué)成為無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)教學(xué)的重要補(bǔ)充。典型無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)多為電動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，部件較為簡(jiǎn)單且功率較小，若采取合適、安全的實(shí)踐教學(xué)方法，在實(shí)驗(yàn)室以及教室內(nèi)實(shí)踐教學(xué)具有一定的可操作性。在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，教師若結(jié)合開(kāi)放式、實(shí)踐性的教學(xué)方案，能有效地為學(xué)生講授無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)。為了提高新型高等航空類(lèi)學(xué)科的教學(xué)質(zhì)量，本文通過(guò)配套測(cè)試軟硬件和針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)性課程，設(shè)計(jì)適合高校的無(wú)人機(jī)課堂實(shí)踐方案。

2無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置測(cè)試平臺(tái)與技術(shù)原理

一般地，無(wú)人機(jī)特別是民用無(wú)人機(jī)的使用與運(yùn)營(yíng)瓶頸較大部分歸咎于續(xù)航時(shí)間，而基于任務(wù)導(dǎo)向的載荷、基于動(dòng)力效率的搭配和現(xiàn)階段的高能電池技術(shù)共同決定了續(xù)航時(shí)間，在任務(wù)載荷確定以及電池技術(shù)短期沒(méi)有革命性發(fā)展的前提下，動(dòng)力系統(tǒng)選型在無(wú)人機(jī)總體性能設(shè)計(jì)中是最為重要的環(huán)節(jié)之一[4-5]。其中，動(dòng)力效率選型搭配試驗(yàn)類(lèi)似于民航發(fā)動(dòng)機(jī)的地面試車(chē)環(huán)節(jié)，不同的電動(dòng)機(jī)、空氣螺旋槳、驅(qū)動(dòng)調(diào)速器以及電源參數(shù)的動(dòng)力搭配能組合出不同的動(dòng)力輸出性能，以及各異的有效效率。如何在地面試車(chē)時(shí)得到滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)型號(hào)設(shè)計(jì)的動(dòng)力輸出（如拉力和扭矩等）和最優(yōu)的動(dòng)力輸出效率，并結(jié)合課堂教學(xué)中的理論闡釋?zhuān)蔀闊o(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)教學(xué)的難點(diǎn)之一。動(dòng)力選型不能只依靠理論和賬面數(shù)據(jù)，因此在無(wú)人機(jī)總體性能設(shè)計(jì)中，無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置測(cè)試平臺(tái)是不可或缺的設(shè)備[6-7]。針對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的教學(xué)特點(diǎn)，無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置授課團(tuán)隊(duì)研制出適用于普通教室或?qū)嶒?yàn)室的無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置測(cè)試平臺(tái)。與其他設(shè)計(jì)研究不同的是，該測(cè)試平臺(tái)采用簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，主要用于輕微型無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置的特性演示、部件級(jí)性能測(cè)試以及動(dòng)力裝置型號(hào)設(shè)計(jì)，適合課堂演示和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，注重精準(zhǔn)傳感性能參數(shù)，是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)教學(xué)的良好補(bǔ)充。其主要性能參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)包含拉力、反扭矩、轉(zhuǎn)子溫度、綜合振動(dòng)強(qiáng)度、螺旋槳轉(zhuǎn)速、輸入電流、輸入電壓、輸入油門(mén)信號(hào)和輸入變距信號(hào)，高階解算參數(shù)包含螺旋槳力效、動(dòng)力效率、螺旋槳輸出功率和電機(jī)輸入功率等，能基本涵蓋典型無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置的所有性能特征。如圖1所示，無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)分為綜合控制端和臺(tái)架測(cè)試端兩個(gè)部分。臺(tái)架測(cè)試端主要用于固定動(dòng)力裝置和傳感基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由測(cè)試臺(tái)架、通訊總線和用于測(cè)試的無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置組成。綜合控制端主要功能是采集、計(jì)算、控制以及提供輸入指令，下面介紹組成部件和功能。1）單片機(jī)最小系統(tǒng)由AVR型單片機(jī)處理器、外圍電源和I/O口組成，用于接收和解算反饋信號(hào)，以及提供控制端信號(hào)，同時(shí)能將數(shù)據(jù)通過(guò)串口上傳至上位機(jī)。2）拉力、反扭矩A/D模塊將臺(tái)架測(cè)試端回傳的應(yīng)變量模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，供處理器進(jìn)行解算。3）轉(zhuǎn)速是通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)采集掃略光電傳感器的槳葉次數(shù)而獲得，為了避免轉(zhuǎn)速測(cè)量錯(cuò)誤，需要手動(dòng)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)選擇螺旋槳槳葉數(shù)量。4）油門(mén)、變距輸入模塊由調(diào)音臺(tái)推子（滑動(dòng)電位器）構(gòu)成，通過(guò)模擬量函數(shù)映射獲得相對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)。5）電源模塊由轉(zhuǎn)化插頭和穩(wěn)壓器組成，為綜合控制端和臺(tái)架測(cè)試端提供弱電電源，以及為控制模塊提供強(qiáng)電電源；控制模塊綜合強(qiáng)電電源和油門(mén)輸入信號(hào)，為動(dòng)力裝置提供可控電壓；電氣傳感模塊用于反饋輸入電壓和輸入電流。6）綜合顯示屏幕可隨撥碼開(kāi)關(guān)選擇，顯示無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置的性能參數(shù)。7）通訊總線用于接收來(lái)自臺(tái)架測(cè)試端的模擬、數(shù)字信號(hào)。如圖2所示，臺(tái)架測(cè)試端通過(guò)G型夾安裝在普通桌面上，螺旋槳下洗氣流與桌面保持平行，電機(jī)與專(zhuān)用電機(jī)座固連，然后和兩條與電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸平行的應(yīng)變梁a與b，以及一條與電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸垂直的應(yīng)變梁c，通過(guò)緊固裝置一同固連。應(yīng)變梁a和b通過(guò)疊加應(yīng)變量測(cè)得電機(jī)和螺旋槳旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的反向扭矩，應(yīng)變梁c直接通過(guò)應(yīng)變測(cè)得拉力。其中應(yīng)變梁在額定量程之內(nèi)的應(yīng)力與應(yīng)變是線性關(guān)系。光電傳感器在有障礙物遮擋時(shí)輸出一個(gè)高電平，無(wú)遮擋時(shí)輸出一個(gè)低電平，故當(dāng)螺旋槳端部旋轉(zhuǎn)掃略過(guò)光電傳感器時(shí)，光電傳感器將向控制臺(tái)輸出一個(gè)正向脈沖，處理器只需要對(duì)這些脈沖計(jì)數(shù)，就能得到螺旋槳轉(zhuǎn)速。非接觸式溫度傳感器采用紅外溫度遙感技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子溫度進(jìn)行監(jiān)控測(cè)量，振動(dòng)傳感器位于臺(tái)架結(jié)構(gòu)的中部，對(duì)臺(tái)架的振動(dòng)加速度進(jìn)行測(cè)量。

3無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置選型是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一，需要綜合考慮任務(wù)需求和飛行器結(jié)構(gòu)，涉及多種部件的性能掌握和參數(shù)選擇。在傳統(tǒng)選型環(huán)節(jié)教學(xué)或?qū)嶒?yàn)時(shí)，由于缺乏測(cè)試設(shè)備，學(xué)生多根據(jù)產(chǎn)品銘牌參數(shù)進(jìn)行搭配選擇，但經(jīng)常面臨諸多不確定因素：1）無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置部件的廠家往往夸大宣傳，導(dǎo)致部件銘牌參數(shù)與實(shí)際性能存在較大脫節(jié)；2）電動(dòng)機(jī)與螺旋槳有多種組合方式，廠家不能針對(duì)某種具體的電機(jī)和螺旋槳組合給出性能參數(shù)；3）搭配變距螺旋槳的動(dòng)力裝置適應(yīng)多種工況，系統(tǒng)復(fù)雜數(shù)據(jù)量較大，需要自行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。以上因素導(dǎo)致的性能不確定，使得教師在授課時(shí)只能將重點(diǎn)放在空洞的理論上，學(xué)生在實(shí)際動(dòng)手時(shí)只能憑借猜測(cè)或經(jīng)驗(yàn)，因此不能較好地進(jìn)行動(dòng)力選型實(shí)踐。針對(duì)以上教學(xué)中出現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合測(cè)試平臺(tái)軟硬件，教學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)動(dòng)力選型實(shí)驗(yàn)課。該課是“動(dòng)力系統(tǒng)建模與性能估算”章節(jié)的配套實(shí)驗(yàn)課程，旨在使學(xué)生對(duì)動(dòng)力裝置及部附件有一個(gè)更為深入的特性掌握。實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)在普通實(shí)驗(yàn)室，配備50A直流電源，靜風(fēng)條件良好。如圖3所示，學(xué)生被分為2～3人的實(shí)驗(yàn)小組，在1～2個(gè)課時(shí)內(nèi)，結(jié)合課堂所授理論知識(shí)，如圖4所示，以多旋翼無(wú)人機(jī)懸停時(shí)間為設(shè)計(jì)目標(biāo)，分別研究?jī)蓚€(gè)實(shí)驗(yàn)題目：1）學(xué)習(xí)使用測(cè)試平臺(tái)，針對(duì)四組不同的電機(jī)—螺旋槳組合，根據(jù)記錄表格開(kāi)展實(shí)驗(yàn)并獲取拉力、反扭矩、輸入電流、輸入功率和占空比等穩(wěn)態(tài)參數(shù)，如圖5（a）所示，并使用MATLAB等軟件繪制插值曲線；2）根據(jù)上一個(gè)實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)和曲線，自由選擇動(dòng)力裝置、無(wú)人機(jī)機(jī)身和任務(wù)載荷，自主查閱電池能量密度和放電倍率等參數(shù)，并繪制電池容量—懸停續(xù)航時(shí)間曲線，如圖5（b）所示。在這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)題目中，前者更加基礎(chǔ)，偏重于動(dòng)力系統(tǒng)部件理論的復(fù)現(xiàn)和測(cè)試平臺(tái)的使用，學(xué)生通過(guò)自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，擺脫對(duì)現(xiàn)成數(shù)據(jù)的依賴(lài)，實(shí)事求是地考察研究無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置，能更好地掌握性能特性。而后者在前者基礎(chǔ)上，既考查了無(wú)人機(jī)動(dòng)力選型的基本知識(shí)點(diǎn)，也考核了學(xué)生的總體設(shè)計(jì)能力，通過(guò)引入具體使用場(chǎng)景和任務(wù)需求，學(xué)生能靈活使用課堂所授理論，基于實(shí)際情況設(shè)計(jì)結(jié)果更能貼近實(shí)際。教學(xué)團(tuán)隊(duì)在課程開(kāi)展中發(fā)現(xiàn)，測(cè)試平臺(tái)使用簡(jiǎn)單高效，課程緊湊，內(nèi)容豐富，學(xué)生興趣高昂，課堂教學(xué)質(zhì)量大幅提升。

4結(jié)語(yǔ)

本文以在高校開(kāi)展的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)類(lèi)課程改進(jìn)為研究方向，針對(duì)無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置課程，在現(xiàn)有理論授課的基礎(chǔ)上，注重實(shí)踐，注重加深課堂教學(xué)深度，提高教學(xué)質(zhì)量，結(jié)合動(dòng)力裝置測(cè)試平臺(tái)軟硬件設(shè)計(jì)以及實(shí)踐課程設(shè)計(jì)，提出一個(gè)無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)踐課程的設(shè)計(jì)方案，并在教學(xué)實(shí)踐中取得良好的效果。

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作者：安斯奇 侯寬新 單位：中國(guó)民用航空飛行學(xué)院