纤维丝束对 “低慢小 ”动力系统作用效应试验研究
侯生超1， 孟立凡1， 刘春美2
(1.中北大学 电子测试技术重点实验室， 山西 太原 030051； 2.公安部第一研究所， 北京 100048)
摘要 ： 针对小型无人机等典型“低慢小”航空器(LSS-UAV)在城区黑飞扰航事件频发的问题，开展纤维丝束软毁伤LSS-UAV动力系统效果研究。设计了一种电动机动力测试系统以及试验方案，以某型号电动机为试验对象，研究了纤维丝束对电动机的缠阻作用效应。试验结果表明：150D/3、210D/3、300D/3、20S/3、200D 5种规格纤维丝束对电动机作用的有效转速下降时间在0.9～1.5 s之间，1.0 s内的电动机扭矩变化量在0.021～0.039 N·m之间，且拉力变化量在0.608～1.300 N之间。通过分析得到了所试材料软毁伤目标动力系统的最优材料参数。
关键词 ： 纤维丝束； “低慢小”动力系统； 电动机； 缠阻效应
0 引言
“低慢小”航空器(LSS-UAV)是指飞行高度低、飞行速度慢、雷达反射面积小的航空器具，主要包括轻型和超轻型飞机、滑翔机、无人机、飞艇、滑翔伞等12类。近年来，以小型无人机为代表的LSS-UAV黑飞扰航现象呈井喷上升趋势，给国家空防安全和社会治安管理带来了极大隐患[1]。拦截打击LSS-UAV的难点在于打击反应时间短，常规武器装备通常无法对其实施有效的处置拦截[2]，因此, 国内外大力开展了LSS-UAV处置拦截技术的研究，现有技术主要包括微波、激光拦截和传统火力拦截等“硬杀伤”拦截方式以及无线电干扰诱骗和网式拦截等软杀伤拦截方式[3]。
城市中为减小损失和恐慌，一般以软杀伤方式为主，网式拦截是比较典型的一种，具体过程是锁定目标后发射拦截弹，并使拦截弹药在空中高速撒出纤维丝拦截网将无人机拦截，使其丧失机动能力[3-4]。而拦截网是否能有效拦截，在很大程度上取决于所用材料的参数。因此，本文设计一种电动机动力测试系统，并提出基于此系统测试纤维丝束对电动机阻滞作用的方法，用多种材料对一款典型电动机进行多组试验，并对所获试验数据进行分析。
哈哈，雪人做好啦！咦，不对，好像还少了一点什么？哦，想到了，雪人头上还少了眼睛、鼻子、嘴巴。于是，我赶紧跑到家里拿了我的花瓣玩具当雪人的眼睛，一根胡萝卜当雪人的鼻子，还拿了爸爸钓鱼的草帽当雪人的帽子，妈妈洗碗的手套插上树枝成了雪人的手臂……大功告成，我做的雪娃娃真是越看越可爱。
加强施工过程控制以及技术人员、管理人员的质量意识，每次开工前开展质量意识重申，开展奖惩机制，一旦发生违规操作，立即严厉制止并进行处罚。
1 电动机动力测试系统
本文设计的动力测试系统可测量电动机转速、拉力(或推力)和扭矩等多个参数。测试系统具有如下特点：1)采用工业级传感器、处理显示设备，确保测量精确；2)固定被测电动机位置可调整，适应多种规格的动力系统安装；3)采用立式测量，减小地面效应对测量值的干扰。
1.1 动力测试系统结构组成
本系统硬件主要结构示意图如图1所示，真实系统结构较为复杂，在此只作简要说明。
图1 电动机动力测试系统结构示意图
Fig.1 Structure of dynamic measurement system of electromotor
测试系统上位机界面如图2所示，该界面可显示测得的温度、转速、扭矩以及电压、电流等参数。
(3)养护人员应特别注意混凝土表面的变化情况，如果发现表面泛白或出现干缩细小裂缝时，应立即仔细遮盖并充分浇水，延长浇水天数，以尽量补救。
图2 电动机动力测试系统上位机界面
Fig.2 Interface of upper computer of dynamic measurement system of electromotor
1.2 系统测量原理
如图3所示，通过传感器测得电动机多个参数，首先是非电量经过传感器转换为模拟电信号，然后经过信号处理转换为数字电信号，最后通过数据采集模块处理为顺序排列的数据帧并高速传输给上位机显示。
图3 系统测量原理图
Fig.3 Measurement principle of system
1.2.1 拉力及扭矩参数测量原理
本系统测试拉力及扭矩均采用双孔平行梁式称重传感器，此传感器为集成式模块，集传感部分、信号处理部分及控制部分于一体。
1)传感部分
传感部分主要包括弹性体、应变片及测量电路。本设计基于平行梁的不变弯矩特性[5]。
图4 双孔平行梁弹性元件变形示意图
Fig.4 Deformation of double-hole parallel beam
弹性体为双孔平行梁，受力产生形变，结构如图4所示，挖孔开槽可使贴片位置的局部应力集中，从而增大传感器的输出灵敏度[6]，因此应变片贴在孔外壁(即AB 截面与梁的两条交线以及CD 截面与梁的交线处)。
图4中：L 1为双孔中心的水平距离，L 2为任意一孔中心与元件边界的水平距离，p 为外加竖直向下载荷，p 在CD 截面产生弯矩M 1，有
M 1=L 2p ,
(1)
本系统采用的反电动势过零检测电路如图8所示[13]，工作原理为：当运算放大器同相输入端输入电压信号高于反相输入端输入电压信号时，运算放大器输出信号为高电平，反之则输出为低电平。
M 2=(L 1+L 2)p ，
(2)
故两应变截面的弯矩差为
M 2-M 1=(L 1+L 2)p -L 2p =L 1p .
(3)
由此可知，载荷p 只要施加在CD 截面以左的弹性元件上表面的任意位置，传感器输出就不会发生改变。
4)将专有设备上纤维丝靠近电动机螺旋桨，使其碰撞缠绕到电动机螺旋桨上，并被带入电动机定子与转子之间间隙内，观察电动机运转效果；
(4)
当它受到轴向力F 而被拉伸或压缩时，其L 、A 和ρ 均发生变化，经过一系列推导可以得到
=(1+2μ +λE )ε ,
(5)
式中：dR 为电阻变化量；μ 为金属材料的泊松比；λ 为压阻系数；E 为金属材料的弹性模量；ε 为金属材料的应变。
易非想说，那些女孩都读不进书，向南是自己成绩不好……可妈没容她说，就继续说到：“我生你养你一场，这房子我就住定了！我非要住！我要住在这里，向南一家也要住在这里！”
2)信号处理部分及单片机微控制单元
如图5所示，测量电路转换输出的电压信号幅值变化小(毫伏量级)，因此需经过放大后实现模拟信号/数字信号(A/D)转换。信号处理过程中，首先用电阻- 电容滤波电路滤除部分噪声[8]，放大后再次滤波以滤除放大器产生的噪声，经过A/D转换后再进行两次滤波，从而减少纹波的影响，保持相频和幅频均衡[9]。微控制单元(MCU)部分采用ARM Cortex-M内核32位的STM32处理器对信号进行有效数据的筛选，并通过RS-485总线将数据传送给管理主机。
1)将电动机固定布置好，检查电动机状况及安全情况；
图5 信号处理部分及MCU示意图
Fig.5 Signal processing part and MCU
3.2.2 试验过程
1.2.2 转速测量原理
本系统设计的转速测量方式适用于对无人机电动机的转速测量。选择一款外转子无感无刷QM2812-980KV直流电动机，外直径为28 mm、定子长度为12 mm，每伏转速提高980 r/min，无需位置传感器，是电子换向(无刷直流电动机用电调实现电子换向)代替传统电刷的新型电动机(见图6)。
图6 无刷直流电机转速反馈闭环控制系统原理框图
Fig.6 Closed-loop system of rotational speed feedback of brushless DC motor
电机驱动原理基于无刷直流电机方波驱动技术，首先完成电机转子预定位、电机外同步加速、电机运行状态切换的无感式3段启动过程，顺利启动电机，然后进入速度比例、积分、微分(PID)闭环控制，即通过检测转子位置确定是否换向，检测速度实现反馈调节。
卡维地洛治疗射血分数保留心力衰竭的疗效及安全性Meta分析……………………… 陈宏 刘涛 邓诗武 等（4）471
本系统所采用的是反电势过零法，常用航模电动机都属于无刷三相六拍电机，每个周期有6个状态，星形接法中(Y形)在每一时刻电机的通电线圈只有两相，另一相线圈悬空，悬空的线圈会产生反电动势，反电动势来源于悬空线圈切割磁力线(由电动机磁体旋转引起)和另两相通电线圈间的互感。由于电机转动的瞬时角速度呈梯形波动，产生的反电动势也相应地呈梯形变化[13]。
一是组织开展了城市自备井关停与京沪高铁等基础设施沿线地下水限采工作；二是提出了全省水功能区纳污能力及限制排污总量意见，建立了水污染事件报告和饮用水源地保护机制；三是探索了入河排污口规范化管理新路子；四是实行了跨市河流断面水质目标责任考核并扣缴生态补偿金政策。
如图7所示，两虚线间为60°电气角度，标识处即为反电动势的过零点，实际反电动势波形检测到过零点要比有感检测下提前30°，故延迟30°即可为电动机换相[14]。
图7 理想反电动势波形
Fig.7 Hypothetical back electromotive force waveform
载荷p 在AB 截面产生弯矩M 2，有
转速计算公式[15]为
而Ductibor®相比Usibor®具备更高的延展性，通过激光拼焊板技术将Usibor® 2000和Ductibor® 1000结合，制造成一体成形零件，使得两种材料的性能可以有效互补。这一技术使得汽车厂商能进一步优化车辆设计，将不同牌号的钢材应用到适当的零件部位，在有效提高车辆安全性的同时显著降低车身重量，并且能节约材料成本、优化制造流程从而减少综合成本。
(6)
式中：n 为转速(r/min)；Δθ 为转过的角度(可以取60°，为两次过零点相差角度)；P 为极对数(这里为7)；ΔT 为电动机转过Δθ 所需要的时间，ΔT =N Δt ，N 为计数值，Δt 为电子换向所用MCU计数周期[16]。
图8 过零检测电路
Fig.8 Zero-crossing detection circuit
2 纤维丝束作用电动机缠阻效应试验机理
表征无人机动力系统性能的3个主要参数为扭矩、拉力和转速，其中：转矩是旋转机械的重要特性参数之一，对研究电动机动态过程、求取最佳运行状态很重要[17]，且输出扭矩用于克服桨叶旋转阻力(在此仅测试纤维丝束阻滞所消耗的电机输出扭矩)[18]，输出扭矩与转速呈反比[19]；无人机的重要特性之一是载荷(包括发射质量、自重及载荷，以重力加速度g 为单位)，拉力(即推力，桨叶旋转形成气动力在垂直于旋转平面的分力)就是无人机带载荷升空的保障[20]，而无人机动力系统所能提供的拉力与转速呈正比(在此仅测试纤维丝束阻滞所消耗的拉力，单位N，由F =mg (g 取9.8 N/kg)得到)；转速是表示电动机特性的主要非电物理量之一，不但决定着无人机载重，而且影响着其姿态变换[19]。
在此只考虑纤维丝束已进入电动机定子与转子间隙的情况。如图9所示，转子与定子间有空隙，由于电动机螺旋桨高速旋转，丝束被大量缠绕在电动机转子上，当缠绕进入电动机转子与定子间隙处的纤维丝束达到一定的量时，其产生的摩擦力将会滞止电动机转子转动，从而使得电动机转速降低甚至停机，导致空中飞行的无人机失速坠落(姿态失调以至于无法平衡空气阻力和自重)，达到预定的软杀伤拦截效果。这一过程发生的时间极其短暂。
图9 无刷直流电机内部构造
Fig.9 Internal structure of brushless DC motor
3 试验方案
本文设计小型无人机电动机动力系统测试系统，在电动机高速运转情况下，采用3种纤维丝束材料，考察对电动机采用不同丝束规格、长度时对电动机产生的阻滞效果。图10所示为测试系统现场图。
图10 小型电动机动力测试系统现场图
Fig.10 Dynamic measurement system of mini electromotor
3.1 试验用纤维丝束基本参数
试验主要考察表1中不同种类、规格和长度丝束对电动机的缠绕阻滞效果。
在我国农机监理业务办理过程中，要以服务机手为主要目标，并站在农机手的角度去思考问题，在实际工作中要遵循为机手服务的态度及热情，不断提升服务效率和质量。认真听取农机手提出的意见和建议，积极采纳，并将其真正落实到服务工作中。只有这样，才能真正提升农机监理服务的效果。
3.2 测试目标对象及试验过程
3.2.1 目标对象
选定典型QM2812-980KV无刷直流电动机，配备11寸螺旋桨，最大拉力为12.25 N，最大连续功率为250 W，最大连续电流为21 A[21].
表1 丝束及其参数对照表
Tab.1 Parameters of fiber tows
由于变化电压信号相对于原电压信号会比较小，放大部分采用三运算放大器构成的集成差动仪用INA128放大器[10-11]，具有较高的共模抑制比，有源滤波采用双运算TLV2463放大器[12]，A/D采用16位快速高精度的ADS7821芯片。
3)启动电动机至稳定转速；
我校现行的教学内容与课程体系不同程度地存在着与应用型人才培养不相适应的方面，除了课程门类和门数偏多、理论教学时数过多等外，最为严重的问题是传统的以知识传授为主的“学科导向型课程体系”依然起着主导地位，而能主动适应地方经济社会发展对人才培养的要求、以培养学生扎实的专业知识和较强的应用能力为目标的“专业导向型课程体系”尚未真正确立。因而，要破解此处难题，根本的途径是要冲破传统“精英教育”和“学术型”人才培养的学科教学内容体系，改学科知识体系为专业教学体系，做到“面向实际”：即面向专业需要实际、面向教学需要实际、面向学生需要实际。
2)将事先制好的丝束固定到专有设备上；
试论珠海市提升国际人才吸引力的对策 ……………………………………………………………………………… 常莉俊（1/46）
在专有设备上布置不同长度的纤维丝束，纤维丝束一端与其弱连接，另一端靠近电动机，观察电动机的运转及滞止情况。若长度较短的纤维丝束能滞止电动机，则停止较长丝束的试验。试验步骤如下：
应变片将应变转换成为电量，本文采用箔式应变片，根据应变片电阻应变效应，设有一段长为L 、截面积为A 、电阻率为ρ 的导体，电阻值[7]为
5)记录数据并进行分析。
(1) 设定合理的土仓压力来保持开挖面稳定。盾构施工参数较为复杂，例如掘进速度、千斤顶推力、刀盘扭矩、刀盘转速以及排土量等参数都会对开挖面产生一定的影响，且这些参数不易做单方面控制。对开挖面而言，最为关键的是实现土仓压力的动态平衡，通过实时监测土仓压力判断掌子面稳定，并根据土仓压力的变化控制排土量，调整土仓内外土压的差值[11]。
4 测试结果及分析
对QM2812-980KV电动机分别用不同种类和长度的纤维束进行8组试验，并对每组数据进行分析，这里只列出3组。由于实际情况中无人机较小的转速变化就会引起飞行姿态失衡，导致其坠落，本文仅就电动机从平稳速度下降约800 r/min这一区间分析其转速、扭矩及拉力参数的瞬态变化。
4.1 第1组试验
图11所示为在1根20 m长的300D/3规格的1号纤维阻滞下电动机的参数变化，共做了3次试验。从图11(a)中可以看出，电动机的转速在1号纤维束产生阻滞作用时快速下降，其中：曲线1纤维作用后电动机转速从峰值3 115 r/min降低800 r/min历时1.1 s；曲线2转速从峰值2 998 r/min降低800 r/min历时1.4 s；曲线3转速从峰值3 078 r/min降低800 r/min历时1.0 s. 从图11(b)中可以看出，电动机输出扭矩在纤维束产生阻滞时迅速增大，曲线1从0～0.03 N·m历时1.0 s，曲线2从0～0.046 N·m 历时1.3 s，曲线3从0～0.065 N·m历时0.6 s. 从图11(c)中可以看出，电动机输出拉力在纤维束产生阻滞时的变化趋势类似于扭矩，也是迅速变化，峰值在0.784～1.078 N之间，曲线1、曲线2、曲线3从0到峰值分别历时1.0 s、1.3 s、1.0 s.
图11 1号300D/3纤维阻滞电动机各参数变化
Fig.11 Changing parameters of motor under blocking of 1# fiber which is 300D/3-specification
4.2 第2组试验
图12是在1根20 m长的3号200D纤维阻滞下电动机参数变化，共做了3次试验。从图12(a)中可以看出，电动机的转速在3号纤维束产生阻滞作用时快速下降，其中曲线1纤维作用后电动机转速从峰值3 080 r/min降低800 r/min历时1.1 s，曲线2转速从峰值3 070 r/min降低800 r/min历时1.1 s，曲线3转速从峰值3 130 r/min降低800 r/min历时0.8 s；从图12(b)中可以看出，电动机输出扭矩在纤维束产生阻滞时迅速增大，曲线1从0～0.04 N·m历时1.0 s，曲线2从0到0.045 N·m历时1.3 s，曲线3从0到0.033 N·m历时1.0 s；从图12(c)中可以看出，电动机输出拉力在纤维束产生阻滞时的变化趋势类似于扭矩，也是迅速变化，峰值在1.274～1.960 N之间，曲线1、曲线2、曲线3从0到峰值分别历时1.3 s、1.0 s、1.1 s.
图12 3号200D纤维阻滞电动机各参数变化
Fig.12 Changing parameters of motor under blocking of 3# fiber which is 200D-specification
4.3 第3组试验
图13是在1根20 m长的2号20S/3 纤维阻滞下电动机参数变化，共做了3次试验。从图13(a)中可以看出，电动机转速在2号纤维束产生阻滞作用时快速下降，其中曲线1纤维作用后电动机转速从峰值3 130 r/min降低800 r/min历时0.8 s，曲线2转速从峰值3 000 r/min降低800 r/min历时1.1 s，曲线3转速从峰值3 080 r/min降低800 r/min历时1.1 s；从图13(b)中可以看出，电动机输出扭矩在纤维束产生阻滞时迅速增大，曲线1从0～0.053 N·m历时0.7 s，曲线2从0～0.11 N·m历时1.0 s，曲线3从0～0.04 N·m历时1.3 s；从图13(c)中可以看出，电动机输出拉力在纤维束产生阻滞时的变化趋势类似于扭矩，也是迅速变化，峰值在0.539～3.136 N之间，曲线1、曲线2、曲线3从0到峰值分别历时0.7 s、1.0 s、1.3 s.
图13 2号20S/3纤维阻滞电动机各参数变化
Fig.13 Changing parameters of motor under blocking of 2# fiber which is 20S/3-specification
4.4 结果分析
针对相同长度的5种不同规格材料(1号纤维有3种规格)进行试验，将电动机转速从最大转速下降了800 r/min作用时间以及转速开始下降1.0 s內扭矩变化量以及拉力变化量取多次试验平均值做对比分析，所得结果如表2所示。从表2中可以看出，1号210D/3纤维阻滞下转速下降历时最短，因此所能提供的拉力急剧减小，响应输出扭矩变化量和阻滞消耗拉力较大，结果将易使无人机升力(拉力)变化来不及做出迅疾调整而失速坠落，减速阻滞作用优，其他规格材料的阻滞消耗拉力及输出扭矩也有明显变化，但减速效果明显慢。由此可判断1号210D/3纤维对于微小型无人机电动机的软失效效果最好。
5 结论
本文基于纤维丝束对电动机的缠绕阻滞作用机理，设计并搭建了一种电动机动力测试系统。通过试验研究得到以下结论：
1)所设计的电动机动力测试系统可以实现多种纤维丝束软毁伤效果研究。
表2 多种纤维丝束阻滞电动机参数对比
Tab.2 Comparison of motor parameters under blocking of multiple fiber row
2)通过试验获得了不同种类、不同规格纤维丝束作用电动机的阻滞结果。
3)获得了所试材料软毁伤LSS-UAV动力系统的最优材料参数，对软毁伤元设计具有参考价值。
神经系统特别是脊髓富含脂质，是减压病重要的靶器官[26]；Ⅱ型减压病可出现脊髓损伤，表现为肢体运动及感觉功能障碍，可通过行为学量化评分，评估肢体运动功能；通过脊髓显微病理亦可反映脊髓损伤的严重程度[27]。
文言文中定语后置的这几种形式，只要用心识记、揣摩，遇到实际问题时细心明辨，灵活处理，就不会被表面的形式蒙蔽，弄懂它的意思进而把它准确地译成现代汉语。
致谢 北京理工大学爆炸科学与技术重点实验室对于试验工作的大力支持。
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HOU Shengchao1， MENG Lifan1， LIU Chunmei2
(1.National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China; 2.First Research Institute of the Ministry of Public Security of PRC, Beijing 100048, China)
Abstract : Focusing on the frequent occurrence of disruption events of low altitude, slow speed and small unmanned aerial vehicle (LSS-UAV) in the urban area, the effect of soft damage on power systems of LSS-UAV using fiber tow is studied. A motor power test system and a test scheme were designed. The intertwining-block effect of fiber tow on the motor is studied by using a certain type of motor as the test object. The test results show that the effective fall times of rotation speeds of five fiber tows, suck as 150D/3, 210D/3, 300D/3, 20S/3 and 200D, are between 0.9 s and 1.5 s, and the variable quantities of torque and tension within 1.0 s are between 0.021 N·m and 0.039 N·m, and 0.608 N and 1.3 N, respectively. The optimal material parameters of the soft damage on target dynamic system in the tested materials can be obtained through analysis.
Keywords : fiber tow; low altituide, slow speed and small unnanned aerial vehicle power system; electromotor; intertwining-block effect
中图分类号 ：V216.1+1； V279+.2
文献标志码： A
文章编号： 1000-1093(2019)02-0404-08
DOI :10.3969/j.issn.1000-1093.2019.02.021
收稿日期 ：2018-04-09
基金项目 ：公安部预先研究项目(2015JZYYY01)
作者简介 ： 侯生超(1994—)，男，硕士研究生。E-mail: 18335160072@163.com
通信作者 ： 刘春美(1970—)，女，副研究员，博士。E-mail: liuchunmei0127@163.com
标签：纤维丝束论文; “低慢小”动力系统论文; 电动机论文; 缠阻效应论文; 中北大学电子测试技术重点实验室论文; 公安部第一研究所论文;