貝塔技術(shù)公司利用 MicroStrain^?傳感器 進(jìn)行 eVTOL 開發(fā)

Parker LORD的研究案例

引言

  隨著我們改進(jìn)信息收集、分析和在各種應(yīng)用中實(shí)施的方式，技術(shù)也在不斷發(fā)展。例如，垂直起降飛機(jī)（VTOL）可以垂直起飛、懸停和著陸、設(shè)計(jì)新型 VTOL 飛機(jī)（如足以載客的全電動(dòng) eVTOL）需要在各種環(huán)境中收集大量數(shù)據(jù)并進(jìn)行精確測(cè)量，傳感器在捕捉這些關(guān)鍵測(cè)量數(shù)據(jù)方面至關(guān)重要，而對(duì)于一家正在制造可拯救生命的 eVTOL 的公司來說，MicroStrain 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在這方面發(fā)揮了重要作用。

  貝塔技術(shù)公司（Beta Technologies）創(chuàng)建的電子垂直運(yùn)輸機(jī)原型正在設(shè)計(jì)中，用于為關(guān)鍵的移植手術(shù)運(yùn)送人體器官。Beta Technologies 是一家創(chuàng)新型初創(chuàng)企業(yè)，總部位于佛蒙特州伯靈頓，是開發(fā) eVTOL 技術(shù)的領(lǐng)跑者之一。

  為了成功制作原型，Beta 公司一直在尋找一種能夠監(jiān)測(cè)多種條件的傳感器系統(tǒng)：溫度、振動(dòng)和應(yīng)變。這需要部件臺(tái)架測(cè)試以及飛行中分析。此外，為了準(zhǔn)確監(jiān)控俯仰、滾動(dòng)、角速率、位置和速度測(cè)量，還需要一個(gè)慣性測(cè)量單元。Parker LORD MicroStrain? 傳感器在直升機(jī)、固定翼飛機(jī)和無人駕駛飛機(jī)的飛行測(cè)試中有著良好的工作記錄，因此非常適合 Beta 的資格認(rèn)證。

原型設(shè)計(jì)

  貝塔公司的原型設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)在一次充電的情況下可將這架 4,000 磅的飛機(jī)一次充電可飛行 150 英里。它可以駕駛，重量盡可能輕，同時(shí)還能儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換能量。它的翼展為 35 英尺，有 8 個(gè) 75 千瓦的發(fā)動(dòng)機(jī)用于起飛和著陸。為了實(shí)現(xiàn)飛行，在升空和垂直起飛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)四個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳旋轉(zhuǎn)。達(dá)到適當(dāng)高度后，螺旋槳傾斜，飛機(jī)轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的飛行模式。所有這些運(yùn)動(dòng)都由兩個(gè) 124 千瓦時(shí)的鋰離子電池組提供動(dòng)力。原型機(jī)在美國聯(lián)邦航空局批準(zhǔn)的 180 多次試飛中達(dá)到了 72 節(jié)的最大速度和 100 英尺的升限。

  為了應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)原型數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)，MicroStrain 的傳感器被用于整個(gè)原型。使用的主要傳感器包括 G-Link-200，一種堅(jiān)固耐用的 IP-67 無線加速度計(jì)；V-Link-200、一個(gè) 8 通道模擬輸入節(jié)點(diǎn)；TC-Link-200，一個(gè) 12 通道無線熱電偶節(jié)點(diǎn)；WSDA-2000 無線網(wǎng)關(guān)；3DM-GX5，一個(gè)輕型、高度復(fù)雜的 GNSS/INS 輔助 AHRS。

飛行控制

  為了監(jiān)測(cè)原型機(jī)的飛行控制和飛行特性，MicroStrain 提供了三個(gè) GX5-25 慣性傳感器，用于獲取俯仰、滾轉(zhuǎn)和角速率值。使用三個(gè)傳感器為飛行控制回路提供了必要的冗余，傳感器數(shù)據(jù)輸入飛行計(jì)算機(jī)，然后由計(jì)算機(jī)控制八個(gè)螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)，監(jiān)測(cè)僅在懸停模式下進(jìn)行。這些數(shù)據(jù)以及慣性傳感器的其他輸出（如位置和速度）也被記錄在 SD 卡和機(jī)載計(jì)算機(jī)中。飛機(jī)的黑匣子飛行指標(biāo)也被記錄下來。

試驗(yàn)臺(tái)監(jiān)測(cè)

  MicroStrain 的傳感器還用于測(cè)量螺旋槳的推力、振動(dòng)、應(yīng)變和試驗(yàn)臺(tái)上的負(fù)載特性。為此，在螺旋槳架底座上安裝了一個(gè)稱重傳感器，用于測(cè)量不同螺旋槳速度下的向上升力載荷，并在螺旋槳架上安裝了兩個(gè)加速度計(jì)，用于測(cè)量振動(dòng)，這使得 Beta 能夠了解使用不同螺旋槳設(shè)計(jì)的螺旋槳在不同速度下的平衡特性。

  為了測(cè)量轉(zhuǎn)數(shù)，使用了轉(zhuǎn)速計(jì)。這也使他們能夠生成與振動(dòng)傳感器同步的 FFT 圖，因?yàn)榧铀俣扔?jì)信號(hào)可以與螺旋槳葉片的相位相關(guān)聯(lián)。

  為了幫助 Beta 在轉(zhuǎn)速高達(dá) 1200 RPM 和載荷為 10k - 20k lbs 的情況下測(cè)量離心載荷和彎曲產(chǎn)生的應(yīng)變，在螺旋槳葉片的上下表面安裝了 10 個(gè)或更多應(yīng)變片。MicroStrain 的 V- Link-200 采用高采樣率同步采樣模式進(jìn)行測(cè)量。

機(jī)身結(jié)構(gòu)靜載荷測(cè)試

  為了測(cè)試機(jī)身上的靜載荷，在機(jī)身結(jié)構(gòu)上安裝了應(yīng)變儀安裝在機(jī)身結(jié)構(gòu)上。液壓泵參考在線稱重傳感器，對(duì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行加載。應(yīng)變儀和稱重傳感器使用 MicroStrain 的V-Link-200 以較低的采樣率進(jìn)行測(cè)量。

懸浮電機(jī)振動(dòng)測(cè)試原電池單元的溫度

  在貝塔公司原型機(jī)的設(shè)計(jì)中，總重量達(dá) 1500 磅的圓柱形鋰離子電池組被分成六個(gè)不同的電池組，布置在整個(gè)飛機(jī)上。由于鋰離子電池在 70°C 左右的溫度下會(huì)有熱失控的風(fēng)險(xiǎn)，因此對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控非常重要。貝塔公司通過將溫度探針插入電池組組件來監(jiān)測(cè)電池溫度。這項(xiàng)工作一直持續(xù)到約 500 千瓦的持續(xù)懸停峰值功率期間。為了實(shí)時(shí)監(jiān)控和傳輸傳感器數(shù)據(jù)，采用了兩個(gè) MicroStrain TC-Link-200 節(jié)點(diǎn)。

懸浮電機(jī)振動(dòng)測(cè)試

  為了監(jiān)測(cè)空氣動(dòng)力引起的振動(dòng)以及檢測(cè)共振頻率，使用了 MicroStrain 的 G-Link-200 無線加速度計(jì)，采樣率很高。

結(jié)果

  Parker LORD 的 MicroStrain 傳感器組合為 Beta 的原型飛機(jī)提供了關(guān)鍵的測(cè)試和測(cè)量設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。事實(shí)證明，對(duì)飛機(jī)上的許多元素進(jìn)行充分監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，包括附近的其他高功率射頻設(shè)備以及旋轉(zhuǎn)部件等難以監(jiān)測(cè)的位置。盡管如此，MicroStrain 的傳感器還是為 Beta 提供了繼續(xù)改進(jìn)原型機(jī)所需的反饋。