無人機多自由度陣風模擬抗風試驗裝置的設(shè)計與性能驗證

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(shè)計方案。通過拆解裝置核心結(jié)構(gòu)、優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)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(yīng)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(shù)。

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(shè)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(cè)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(shè)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(yīng) 0-10 級風），且陣風風速變化率可調(diào)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(zhuǎn)、俯仰、偏航）數(shù)據(jù)；三是裝置結(jié)構(gòu)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(nèi)）。

二、裝置核心結(jié)構(gòu)與技術(shù)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(gòu)，各模塊技術(shù)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(shè)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(nèi)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(shè)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(diào)（滾轉(zhuǎn) ±30°、俯仰 ±20°、偏航 ±15°）。支架材質(zhì)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(shè)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(shè)定值的誤差≤3%，陣風切換響應(yīng)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(zhuǎn)、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(jié)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(shè)計，解決了傳統(tǒng)裝置 “重穩(wěn)態(tài)、輕動態(tài)” 的技術(shù)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(shù)支撐。