作者：Lauren Nagel
在无人机、无人飞行器和eVTOL航空器领域，优化电机与螺旋桨的配置，不仅能让您的飞行器飞起来，还能使其发挥最佳性能。
制造商的数据可以大致让您了解哪些电机和螺旋桨适用于您的设计，但由于测试并非标准化，因此无法跨制造商比较零部件。
以下是动力测试台如何帮助您提升无人机性能的几种方式：
| • 延长飞行时间 | • 获取诊断数据 |
| • 增加有效载荷 | • 提高安全性 |
| • 延长航程 | • 获取认证 |
| • 检查噪音水平 | • 优化结构设计 |
| • 减少振动 | • 质量保证 |
| • 提高可靠性 | • 研究油门响应 |
| • 防止飞行中结冰 | • 通过飞行复制进行学习 |
| • 预防性维护 | • 防止过热和故障 |
延长飞行时间
测试电机和螺旋桨的主要原因之一就是延长无人机的飞行时间。延长飞行器的空中作业时间，可以让您拍摄更长时间的视频、收集更多数据、持续目视目标，并让单次充电的航程更远。简单的测试和改进就能为飞行时间增加宝贵的几分钟，从而使您在竞争中占据优势。一个很好的例子是渥太华大学的两名机械工程硕士生，他们通过测试各种电机与螺旋桨组合，成功使侦察直升机无人机的飞行时间提高了一倍以上。
在整个测试过程中，学生们发现，更轻的电子元件也能发挥同样出色的性能，并找到了一款比之前使用的电机效率更高的电机。结果，他们将直升机无人机的飞行时间从3分钟提高到7分钟，同时噪音和有效载荷并未受到影响（他们还由此想到了一家出色航空航天公司的创意）。这个例子表明，通过对设计进行以提高效率为核心的基础改进，可以延长飞行时间。
延伸阅读：如何延长无人机飞行时间
增加有效载荷
许多新兴的无人机应用要求飞行器能够携带各种有效载荷，并比以往更长时间、更远距离地飞行。满足有效载荷需求通常需要测试多种电机和螺旋桨组合，但由于能改善无人飞行器的运行性能，这笔初始投资几乎总会带来回报。最大化无人机的有效载荷能力，对于eVTOL设计、运输与配送、摄像、货物运输、载人运输等行业都至关重要。
消费级无人机通常可携带高达2kg的有效载荷，而“重载”类别的无人机则可携带数百公斤的货物。无论您的有效载荷需求如何，测试多种电机/螺旋桨配置都能确保您获得最高的性价比。总部位于东京的航空航天公司SkyDrive利用此类测试来优化其无人机的几何结构、尺寸和零部件。最近，他们成功制造了一款重载无人机，可携带30kg有效载荷飞行15分钟。其最终产品“CargoDrone”采用4个共轴旋翼，共配备8个螺旋桨和电机。
延长航程
改进的无线电天线和信号扩展器极大地提升了我们将无人飞行器飞入未知领域的能力。如今限制因素不再是我们与无人机通信的距离，而是飞行器单次充电后能保持在空中的时长。测试无人机的动力系统可以帮助最大化动力系统的效率，从而延长航程，并为更长时间的空中作业做出贡献。这在前往难以进入的地形或水域执行任务时尤为重要。
如果无人机无法获得返回所需的动力，可能会彻底丢失。雄心勃勃的摄像项目和侦察飞行需要确保飞行器和收集到的素材不会丢失。有了这一保证，就可以放心地拍摄出精彩素材，例如这段对瑞士阿尔卑斯山马特尔霍恩的绝美航拍。测试并优化动力系统不仅能让这些飞行任务成为可能，还能让您准确预判无人飞行器的表现。
检查噪音水平
虽然许多人都在热切期待无人机和eVTOL航空器的未来，但社会最关注的问题之一仍然是噪音水平的升高及其对环境的影响。随着无人机可能在头顶飞行配送包裹、检查建筑物并载人通勤，这一担忧是合理且充分的。对于许多无人机应用而言，所产生的噪音大小将成为决定是否投入使用的重要因素。这不仅适用于日常应用，尤其适用于对静音有要求的监视和侦察任务。测试无人机的动力系统可以帮助您预判所产生的噪音水平，并在首次飞行前解决任何问题。这些了解最终能带来更高效、更具竞争力的无人飞行器解决方案。
这项技术在野生动物监测和保护工作中的应用令人振奋。海洋联盟的“SnotBot”项目利用改装的消费级无人机收集鲸鱼的有机样本，以更好地了解种群健康状况。这些考察中使用的无人机极其安静，以免干扰或惊吓鲸鱼，这是确保其研究可持续性的首要要求。电机和螺旋桨产生无人飞行器的大部分噪音，因此测试并比较电机和螺旋桨是设计出最安静版本无人机的最佳途径。
减少振动
所有动力系统都会产生一定程度的振动，但过度的共振可能会损坏零部件，通常也意味着效率不足。对动力系统进行振动测试是平衡螺旋桨、发现效率不足并优化设计的绝佳方式。通过这种方式，您可能会发现零部件的使用寿命更长，且单次电池充电所获得的性能也更高。
减少振动在无人机摄像领域尤为重要，因为振动会导致视频抖动或模糊，这是果冻效应的典型症状。稳定器和后期编辑可以提升视频质量，但从源头上减少振动则能节省时间和金钱。通过一些测试，就可以轻松实现更平稳的飞行和视频。
提高可靠性
无人机行业的可靠性极具提升空间，因为无人机的故障率大约比民用航空高出两个数量级。无人飞行器要承担目前由载人飞机承担的功能，其可靠性，或平均故障间隔时间（MTBF），必须提高。测试动力系统可以帮助预防和预测故障，因为数据可以揭示零部件的状态。
例如，进行可靠性、可用性、可维护性和安全性（RAMS）评估，是证明我们无人机可靠性的绝佳方式，因为这是一项备受行业认可的测试，消费者也认可并信任它。系统优化后，可靠性测试的数据可以作为有用的参考资料，甚至作为营销策略的一部分予以发布。
防止飞行中结冰
测试电机和螺旋桨可以帮助了解环境因素如何影响无人机，例如飞行中结冰的风险和影响。飞行中结冰或“大气结冰”可能会严重阻碍无人机运行，因为冰的堆积会改变飞行器的空气动力学特性。冰的积聚会导致重量和阻力增加，从而造成升力损失，进而削弱无人机的飞行能力。NRC的风洞实验还展示了温度和螺旋桨类型如何影响结冰，以及扭矩如何随暴露于结冰环境的时间线性增加。耐低温性能对于在寒冷气候、高海拔和恶劣天气条件下运行的无人机至关重要。
了解无人机对低温的反应，有助于相应地设计它，并判断其运行是否需要额外投资除冰产品。全球领先的除冰技术公司UBIQ Aerospace通过在风洞实验中测试螺旋桨的空气动力学，研究冰在无人飞行器上积聚的模式和影响。他们的测试使他们能够改进D•ICE技术，该技术可减轻固定翼无人机上的冰积聚。对于任何寒冷天气下的无人机运行，螺旋桨测试都能为预判性能提供极具价值的信息。
延伸阅读：什么条件会导致无人机结冰
预防性维护
节省无人机维护，以及任何车辆维护时间与金钱的最佳方式之一，就是在磨损损坏变成问题之前进行维修。投资更换零部件，远比因致命故障而不得不更换整架无人机要好得多。
测试电机和螺旋桨是这一流程的重要环节，因为损坏并不总是显而易见。水渍或碎屑造成的轻微侵蚀会影响电机效率，从而限制无人机的性能。螺旋桨也可能随着时间的推移变得不平衡，并产生更大的振动，从而磨损整个动力系统。将动力系统测试纳入预防性维护计划，可以帮助发现这些效率不足，从而提升无人机性能，并节省大量时间和金钱。
获取诊断数据
除了设计阶段外，电机和螺旋桨的数据在整个飞行器的使用寿命中都很有用。例如，按计划每隔50飞行小时记录一次诊断数据，可以帮助监测无人机随时间变化的性能。此类测试有助于发现磨损和效率损失。
电机和螺旋桨的诊断测试还可以揭示无人飞行器未能发挥最佳性能的原因，或发出警告，提示由于不可预见的损坏，它可能无法达到您预期的性能。在湿度高、温度高或有灰尘和碎屑的环境中运行的无人机可能会比预期更快磨损，并让您面临比预期更短的飞行时间或低于预期的最大油门性能。对动力系统的诊断测试可以在故障发生前发现这些弱点，从而避免令人不适或可能危险的情况。
提高安全性
安全性或许是无人机和电动汽车行业投资者与监管机构的首要关注点。如果没有可靠的保证，航空器将无法获准进入市场并发挥其用途。通过测试系统零部件，尤其是每分钟旋转数达数千转的电机和螺旋桨，可以相对轻松地实现更安全的方案。
更好地了解这些要素可以帮助防止过热、发动机故障、电力损失等，从而避免事故和伤害。随着航空器越来越多地出现在我们的上空，公众必须有信心它们会按规定运行，不对人类活动构成威胁。安全性测试可以显著提升单机和整个行业的公信力，保证性能，并为投资者、政府官员和公众带来安心。
获取认证
许多常见的无人机运行需要特殊许可，通常以监管机构的豁免或例外形式出现。例如，在美国，任何未包含在FAA小型无人机规则第107部分中的操作都需要豁免。需要豁免的操作列表包括夜间飞行、超视距飞行（BVLOS）、人员上方飞行、距地面高度（AGL）超过400英尺，或速度超过每小时100英里。这一列表自然与许多业余和商业无人机运行活动重叠。
获得豁免很大程度上取决于申请人能否说服FAA其运行是安全的，而对无人飞行器动力系统的广泛测试，则是评估飞行器安全性的重要环节。进行并展示动力系统测试的可重复性，可以极大地支持豁免申请，同时为设计者提供宝贵信息。虽然全球法规各异，但许多设计者会发现，动力系统数据对于全球各地的无人机认证都很有用，甚至可能是强制性的。
优化结构设计
提高无人机的效率是一个循环过程，始于某些假设。这些假设可能包括无人机的总重和单个组件的重量，以及它的预期用途。一旦做出了这些初步假设，推进系统测试可以帮助确定您的设计是否能满足其拟定用途的要求。对于竞速无人机，您可以确定您的设计是否能满足速度要求；对于配送无人机，则可确定其是否能达到最低飞行时间。
最棒的一点是，如果您的初始设计不符合您的需求，您可以更换新的电机和螺旋桨，以找到理想的配置。一旦您找到了理想的动力系统配置，您还可以继续尝试新的电池或修改机架。初步假设指导着优化过程，但一旦您完成了一轮评估，就可以对设计中的其他修改做出明智的决定。
延伸阅读：无人机设计计算和假设
质量保证
推进系统测试可以强化并使面向潜在投资者和客户提供的质量保证更具公信力。用严谨的性能数据来支撑营销宣传，是增强客户对产品信心并让销售团队获得竞争优势的绝佳方式。除了销售方面的作用，测试电机和螺旋桨还可以为提供产品规格表提供宝贵信息，并让设计师安心，因为他们知道飞行器将按宣传达标。
推进系统测试还将让您进一步实现产品标准化，确保每台设备都能表现一致。这意味着将减少用于处理客户支持请求的时间，因为额外的安全保障将确保从设施出厂的缺陷产品数量更少。无论您的业务规模大小，测试电机和螺旋桨都是使质量保证更具公信力并确保产品一致性的好方法。
研究油门响应
通常有必要了解推进系统对控制输入变化做出反应的速度有多快。此类测试的数据可以深入了解无人机对风阵等干扰做出反应的速度。在物理上测试推进系统反应能力的一种典型方法是让其承受扫频控制信号。扫频是一种正弦信号，其频率不断变化，以覆盖所有要测试的频率范围。通过收集的数据，无人机设计师可以确定推进系统对油门突然变化做出反应的速度有多快。
了解动力系统反应时间的另一种方法是让其承受阶跃输入。在高速记录数据的同时，施加突然的油门变化。一段时间后，螺旋桨会稳定在新的转速。稳定速度所需的时间被称为调节时间。最后，通过控制恒定且目标明确的推力，比例积分微分（PID）测试可以测量推进系统在较长时间内的稳定性。这些测试可以使用具有足够脚本功能的测功机来执行，从而全面了解无人机的油门响应。
从飞行复制中学习
推进系统测试有助于简化并提高农业、测绘、科研等应用中的飞行复制效率。使用推进系统测试设备记录飞行，可以让设计师自动规划并保存航线，然后稍后重现油门数据。设计师甚至无需离开实验室，就可以根据收集到的电机和螺旋桨性能数据来优化飞行计划。自主无人机技术在农业中的应用通常基于效率原则，在最大限度减少人力和投入成本的同时，还具有保护人体健康的额外益处。
Airboard Agro的农业无人机就是一个很好的例子，它在复杂地形中按照预先设定的航线喷洒农作物，承担了以往由人工完成的繁重且重复的工作。为了真正发挥这项技术的优势，无人机应针对其将要执行的具体任务进行优化，并充分考虑所需的速度、推力和稳定性。推进系统测试是改进这些飞行复制并确保无人机在自主任务中达到最大效率的极佳资源。
防止过热和热失效
无人机故障最常见的原因之一是电机过热导致电机失效。电机通常会提供最大温度和电压额定值，但当电机接近这些极限时，可能并不明显。此外，尽管电机冷却取决于电流，但电流额定值在行业内并非标准化。测试电机极限的一种方法是使用热探头在不同转速间隔下测量其温度，这是规避故障的有效策略。
在俄亥俄州肯特州立大学，Blake Stringer博士的实验室正在对电机进行此类热测试，以研究其热特性，并考察大功率条件下小型无人机eVTOL电机的管理。他们在实验室制作的这段视频展示了热失控的严重后果，导致电机过热并最终损坏。随着无人机飞行时间延长，并进入更恶劣、更炎热的气候，这些研究变得越来越重要。在设计过程早期测试电机可以防止过热，并最终避免支付更换电机的费用。
延伸阅读：如何为您的无人机自动化推进系统测试
结论
我们希望本文展示了测试无人机推进系统所带来的诸多益处。我们提供多种可执行这些测试功能并帮助您将设计提升到新水平的工具：
- Series 1585 - 测量推力高达 5 kgf / 扭矩达 2 Nm
- Flight Stand 15 - 测量推力高达 15 kgf / 扭矩达 8 Nm
- Flight Stand 50 - 测量推力高达 50 kgf / 扭矩达 30 Nm
- Flight Stand 150 - 测量推力高达 150 kgf / 扭矩达 150 Nm
- Flight Stand 500 - 测量推力高达 500 kgf / 扭矩达 1500 Nm
- Windshapers - 用于自由飞行测试的露天风洞
我们的测试台可测量推力、扭矩、转速、电流、电压、机械功率、电功率、电机效率、螺旋桨效率和综合效率。请查看我们的在线商店以购买您的设备，或联系我们的销售团队以获取我们大型工具的报价。