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無人機多自由度陣風模擬抗風試驗裝置的設計與性能驗證
更新時間:2025-10-30 點擊次數(shù):105

針對傳統(tǒng)無人機抗風試驗裝置多模擬穩(wěn)態(tài)風、難以復現(xiàn)真實飛行中陣風擾動的問題,本文提出一種多自由度陣風模擬抗風試驗裝置的設計方案。通過拆解裝置核心結構、優(yōu)化關鍵技術參數(shù),實現(xiàn)對動態(tài)陣風的精準模擬,同時完成無人機姿態(tài)響應與受力數(shù)據(jù)的同步采集,為無人機抗風性能優(yōu)化提供可靠的試驗支撐。由Delta德爾塔儀器聯(lián)合電子科技大學(深圳)高等研究院——深思實驗室團隊、工信部電子五所賽寶低空通航實驗室研發(fā)制造的無人機抗風試驗風墻\可移動風場模擬裝置\風墻裝置,正成為解決無人機行業(yè)抗風性能測試難題的突破性技術。

無人機風墻測試系統(tǒng)\無人機抗風試驗風墻\可移動風場模擬裝置\風墻裝置

一、裝置設計背景與核心需求

傳統(tǒng)無人機抗風試驗以風洞穩(wěn)態(tài)風模擬為主,僅能測試無人機在恒定風速下的穩(wěn)定性,無法復現(xiàn)實際飛行中 “陣風突變、風向驟變" 的復雜場景。例如電力巡檢無人機在穿越高壓線路廊道時,常遭遇 5-8m/s 的突發(fā)側風,傳統(tǒng)裝置難以模擬此類動態(tài)風況,導致試驗數(shù)據(jù)與實際性能偏差較大。

基于此,裝置設計需滿足三大核心需求:一是風場模擬范圍覆蓋 2-25m/s(對應 0-10 級風),且陣風風速變化率可調節(jié)(0.5-5m/s2);二是能約束無人機姿態(tài),同時采集六向力(拉力、升力、阻力等)與姿態(tài)角(滾轉、俯仰、偏航)數(shù)據(jù);三是裝置結構緊湊,支持戶外臨時部署,適配中小型無人機(最大起飛重量 30kg 以內)。

二、裝置核心結構與技術實現(xiàn)

裝置采用 “風場發(fā)生系統(tǒng) - 姿態(tài)約束系統(tǒng) - 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)" 三位一體架構,各模塊技術細節(jié)如下:

風場發(fā)生系統(tǒng):采用 “軸流風機 + 可變導流板" 組合設計,風機功率 15kW,通過伺服電機控制導流板角度(0-90°),實現(xiàn)陣風風速的快速切換。系統(tǒng)內置風速反饋傳感器,采樣頻率 100Hz,可將風速控制精度穩(wěn)定在 ±0.2m/s,滿足動態(tài)陣風模擬需求。

姿態(tài)約束系統(tǒng):基于六軸力傳感器(量程 0-500N,精度 0.1N)設計柔性約束支架,既能固定無人機位置,又不限制其姿態(tài)微調(滾轉 ±30°、俯仰 ±20°、偏航 ±15°)。支架材質選用航空鋁合金,重量僅 8kg,減少對無人機氣動特性的干擾。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):集成無人機飛控數(shù)據(jù)接口(支持 DJI SDK、PX4 協(xié)議)與裝置自帶傳感器,可同步采集風速、風向、無人機姿態(tài)角、六向力等 12 項參數(shù),數(shù)據(jù)采樣頻率 200Hz,通過 5G 模塊實時傳輸至云端存儲,便于后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

三、裝置性能驗證與試驗案例

以某款 6kg 級電力巡檢無人機為測試對象,開展兩項核心驗證:

陣風模擬精度測試:設定 “5m/s 穩(wěn)態(tài)風→12m/s 陣風(持續(xù) 2s)→5m/s 穩(wěn)態(tài)風" 的風況,裝置實際輸出風速與設定值的誤差≤3%,陣風切換響應時間≤0.3s,滿足動態(tài)風況模擬要求。

姿態(tài)數(shù)據(jù)一致性測試:對比裝置采集的無人機姿態(tài)角與飛控自帶數(shù)據(jù),滾轉、俯仰、偏航角的誤差分別為 ±0.5°、±0.3°、±0.8°,數(shù)據(jù)一致性良好,可用于后續(xù)抗風性能評估。

結語

多自由度陣風模擬裝置通過動態(tài)風場發(fā)生、柔性姿態(tài)約束與高精度數(shù)據(jù)采集的協(xié)同設計,解決了傳統(tǒng)裝置 “重穩(wěn)態(tài)、輕動態(tài)" 的技術短板。后續(xù)可進一步優(yōu)化導流板控制算法,提升超 15m/s 強陣風的模擬穩(wěn)定性,為大型工業(yè)級無人機的抗風試驗提供更全面的技術支撐。


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