ISO 51092023 通过测量旋翼和机身频率评估多旋翼UA（无人驾驶飞机）共振频率的方法标准立项发展报告

ISO5109:2023《通过测量旋翼和机身频率评估多旋翼UA（无人驾驶飞机）共振频率的方法》标准立项发展报告英文标题StandardizationDevelopmentReport:EvaluationMethodfortheResonanceFrequencyoftheMulti-CopterUA(UnmannedAircraft)byMeasurementofRotorandBodyFrequencies摘要随着无人机技术在物流配送、农业植保、应急救援、地理测绘及国防军事等领域的广泛应用，多旋翼无人驾驶飞机（UnmannedAircraft，简称UA）的安全性与结构可靠性日益受到关注。共振现象作为影响多旋翼无人机飞行稳定性和结构完整性的关键因素，其频率评估方法的标准化需求日趋迫切。本报告围绕国际标准化组织（ISO）于2023年7月13日正式发布的ISO5109:2023标准展开，系统阐述了该标准的立项背景、技术内容、制定过程及行业应用价值。该标准基于旋翼与机身振动频率的实测数据，建立了多旋翼无人机共振频率的标准化评估方法，填补了国际范围内该领域的标准空白，为无人机设计制造、适航认证及运行维护提供了统一的技术依据。本报告同时介绍了标准主要参与单位的职责分工，并对该标准未来的修订方向和国际影响力进行了展望。报告认为，ISO5109:2023的发布标志着多旋翼无人机结构安全评估正式步入国际化、规范化的发展阶段，对促进全球无人机产业健康有序发展具有重要的里程碑意义。关键词：多旋翼无人机；共振频率；旋翼频率；机身频率；振动测量；国际标准；适航安全Keywords:Multi-copterUA;ResonanceFrequency;RotorFrequency;BodyFrequency;VibrationMeasurement;InternationalStandard;AirworthinessSafety一、引言1.1研究背景近年来，全球民用及工业级无人机市场呈现爆发式增长态势。根据中国民用航空局及国际无人机系统协会（AUVSI）的统计数据，2023年全球无人机市场规模已突破300亿美元，预计到2030年将超过550亿美元。在多旋翼无人机快速普及的背景下，飞行安全问题日益凸显——因结构共振导致的事故占无人机机械类故障的相当比例，引起了国际民航组织（ICAO）及各国民航管理机构的高度关注。多旋翼无人机的动力来源为若干旋翼系统，其在高速旋转过程中会产生周期性激励载荷。当旋翼转动频率（含倍频分量）与机身的某阶固有频率接近或重合时，将引发结构共振，导致机身剧烈振动、传感器数据漂移、连接件松动，甚至空中解体等严重后果。因此，在设计验证和型式检验阶段准确评估多旋翼无人机的共振频率，成为保障飞行安全的关键环节。然而，在ISO5109:2023发布之前，国际上尚无统一的共振频率评估方法标准。各制造商普遍采用内部测试方法，测试条件参差不齐，测量手段和评定准则各异，导致行业内测试结果缺乏可比性和互认性。这一标准化空白严重制约了多旋翼无人机的国际贸易流通、适航取证及跨区域安全监管。1.2标准立项的必要性（1）行业规范化需求：全球主要无人机制造商（如DJI大疆创新、Parrot、AutelRobotics等）均面临共振频率测试方法不统一的技术困扰。建立统一的国际标准有利于构建公平的国际市场竞争环境。（2）适航审定需求：各国航空管理机构（如美国FAA、欧盟EASA、中国CAAC）在无人机适航审定过程中需要依据公认的标准方法评估结构安全性能，ISO5109:2023的发布为适航审定提供了权威参考。（3）国际贸易协调需求：统一的标准测试方法有助于消除技术性贸易壁垒，促进无人机产品的跨国流通与互认。二、标准概况2.1标准基本信息ISO5109:2023《通过测量旋翼和机身频率评估多旋翼UA（无人驾驶飞机）共振频率的方法》由国际标准化组织（ISO）正式发布，标准状态为现行有效。该标准属于ISO/TC20（航空器与航天器）技术委员会归口管理，分类号为航空器和航天器综合类。标准发布日期为2023年7月13日，语言版本为英文，采用电子版加密PDF格式发行。该标准明确规定了一种基于旋翼与机身频率实测数据的多旋翼无人机共振频率评估方法，适用于多旋翼构型的无人驾驶飞机（通常指四旋翼、六旋翼、八旋翼等）。2.2适用范围ISO5109:2023主要适用于：-最大起飞重量（MTOW）在25kg以下的民用多旋翼无人机（与各国现行中低空无人机管理范畴基本对应）；-电动或油动驱动的多旋翼无人机平台；-设计定型阶段、批产检验阶段及适航审定中的共振频率评估测试；-多旋翼无人机整机及主要结构组件的振动特性测试。三、标准主要技术内容3.1测试原理与基本框架ISO5109:2023确立的共振频率评估方法以实验模态分析为基础，其核心思路为：在无人机处于受控测试状态（装机或台架状态）下，分别测量旋翼系统运转时的激励频率特征和机身结构在该激励作用下的振动响应频率，通过对比分析二者之间的关系，判定无人机是否处于或接近共振状态。标准的主要技术框架包含以下几个方面：（1）测试条件与状态设定标准对测试环境提出了明确要求：测试应在无风或微风（风速不大于2m/s）的室内环境中进行，环境温度控制在15°C至35°C之间，相对湿度不大于80%，以确保传感器和测量设备的正常工作。无人机应处于完整的装机状态（即所有旋翼、电机、电池、载荷均安装到位），由制造商规定的标准起飞重量进行测试。测试时无人机可通过专用测试台架进行固定，台架的设计要求为：其一阶固有频率应显著高于被测对象的目标频率范围，以避免台架与被测无人机之间发生耦合共振。（2）激励方式测试采用实际旋翼旋转作为激励源，即在电机驱动下旋翼产生周期性气动和机械激励。激励频率与旋翼转速直接相关，标准要求在测试过程中将旋翼转速从怠速值逐步增加至最大允许转速，涵盖无人机正常飞行包线内的全转速范围。同时，测试应在多个油门位置（如悬停油门、最大爬升油门等）记录相关数据。（3）测量点布置与传感器要求标准对测量点的选取给出了指导性原则：加速度传感器应布置在机身关键节点（如机臂根部、中心机身板、电池安装座、载荷挂载点等位置），同时至少应包含一个旋翼桨尖附近的非接触式转速传感器或光电传感器用于同步测量旋翼转速。测量传感器应满足：频率响应范围覆盖5Hz至2000Hz、动态范围不小于±50g、灵敏度偏差不大于±5%、横向灵敏度不大于5%等指标要求。测量系统需经过计量校准并在有效期内。（4）数据采集与信号处理标准规定，采样频率不得低于最高分析频率的2.56倍，各通道应同步采样，推荐采样时长不少于30秒，以确保获得足够的频率分辨率和统计稳定性。信号处理过程中，应采用窗函数（推荐汉宁窗或平顶窗）以减少频谱泄漏，并使用快速傅里叶变换（FFT）获取振动信号的功率谱密度（PSD）。（5）共振判定准则ISO5109:2023的核心贡献之一在于统一了共振判定准则。标准规定：当旋翼转频的某阶谐波分量（通常关注1阶、2阶分量）与机身结构主要固有频率之间的相对偏差在±5%以内时，判定为存在共振风险；当相对偏差在±5%至±10%区间内时，判定为存在潜在共振风险，需要进一步评估；当相对偏差大于±10%时，判定为不存在共振风险。3.2机身固有频率获取方法标准推荐两种获取机身固有频率的方法：方法A——锤击法（ImpactHammerTesting）：在无人机静止状态下，用力锤在指定激励点施加瞬态激励，通过响应点的加速度传感器获取频响函数（FRF），通过峰值拾取法或曲线拟合方法提取机身模态频率。该方法为参考方法，要求至少获取前三阶弹性体模态。方法B——运行模态分析法（OperationalModalAnalysis,OMA）：在旋翼运转状态下，利用环境激励下的振动响应数据，通过频域分解（FDD）或随机子空间（SSI）等算法提取整机结构模态参数。该方法允许在无人机实际运行状态下进行测试，更贴近真实工况。3.3旋翼激励频率分析标准要求在每个测试工况下记录旋翼转速，并计算旋翼转频（f₀=RPM/60）及其主要的谐波分量频率（2f₀、3f₀等）。由于多旋翼无人机包含多个旋翼，标准要求对所有旋翼的转速进行同步监测，特别关注各旋翼转速不一致或存在转速波动时产生的边频带效应。四、主要参与单位及标委会介绍4.1归口标准化技术委员会ISO5109:2023由国际标准化组织航空器与航天器技术委员会（ISO/TC20）归口管理。ISO/TC20成立于1947年，是ISO中负责航空器、航天器及相应地面支持设备领域标准化的专业技术委员会，秘书处由美国ANSI承担，下设多个分技术委员会（SC）和工作组（WG）。ISO/TC20的工作范围涵盖航空器设计与制造、航空电子、空间系统、无人机系统（UAS）等多个子领域。近年来，随着无人驾驶飞机（UA）产业的迅猛发展，ISO/TC20加强了在无人机领域的标准布局，陆续发布了多项涉及无人机术语、分类、安全性评估及测试方法的国际标准。ISO5109:2023由ISO/TC20直属工作组WG15（无人驾驶飞机系统）牵头制定。4.2主要起草单位介绍——中国航空综合技术研究所在ISO5109:2023的制定过程中，中国航空综合技术研究所（AVICChinaAero-PolytechnologyEstablishment，简称CAPE或301所）作为重要参与单位发挥了积极作用。中国航空综合技术研究所成立于1976年，隶属于中国航空工业集团有限公司，是中国航空行业标准化与适航技术研究的核心科研机构。该所长期从事航空标准化理论与方法研究、航空产品质量与可靠性技术研究、适航技术研究及标准化技术服务，在航空器振动与结构动力学测试领域积累了丰富的技术经验和研究成果。在ISO5109:2023标准制定过程中，中国航空综合技术研究所承担了以下关键工作：（1）标准草案编制：研究所将国内多旋翼无人机振动测试领域的研究成果和工程实践经验融入国际标准草案，提出了多项核心技术条款的初始文本，为中国在无人机共振频率评估领域争取了国际话语权。（2）实验室间比对试验（Round-RobinTest）组织：该所联合国内外多家检测机构和无人机制造商，组织开展了多轮实验室间比对测试，验证了标准草案中规定的测试方法和判定准则的可操作性和重复性，为标准最终技术指标的科学确定提供了数据支持。（3）国际协调工作：研究所作为中国国家标准化管理委员会（SAC）推荐的专家单位，指派资深标准化专家参加ISO/TC20的多次国际会议和工作组讨论，在标准技术路线的确定和关键条款的折中协调方面发挥了建设性作用。此外，中国航空综合技术研究所拥有国内领先的航空器结构动力学测试实验室，具备完善的振动测试设备（包括高性能加速度传感器、多通道动态信号分析仪、模态试验系统等），为标准的试验验证和配套测试能力建设提供了坚实的物质保障。五、标准的技术创新与行业影响5.1技术创新点ISO5109:2023的发布在多个方面实现了技术突破和标准创新：第一，首次在国际层面统一了多旋翼无人机共振频率评估的方法论框架。此前，各制造商和检测机构在共振频率测试中采用的方法各异，从激励方式到测点布置均存在较大差异，导致测试结果难以横向比较。该标准将分散的工程实践进行系统化整合，提供了一套从试验设计、数据采集到结果评定的一体化技术方案。第二，提出了基于实测数据的共振风险分级判定准则。标准突破了传统“共振/不共振”的二元判定模式，引入了“共振风险”“潜在共振风险”“无共振风险”三级判定的概念，为工程设计中的频率裕度预留提供了更具操作性的指导。第三，兼顾了试验室测试与运行状态测量的双重场景。标准给出的两种机身固有频率获取方法（锤击法与运行模态分析法）各有优势，前者精度高、重复性好，后者更贴近实际运行工况。两种方法的互补为不同应用场景的需求提供了灵活选择空间。5.2行业应用价值ISO5109:2023对全球无人机产业产生的积极影响主要体现在以下几个层面：（1）促进设计制造规范化通过建立统一的共振频率测试和评估方法，标准为无人机产品的正向设计提供了明确的频率设计目标和验证路径。设计人员可以在设计阶段就依据标准的测试方法进行结构动力学优化，确保旋翼激励频率与机身固有频率之间留有足够的裕度，从源头上提升产品的结构安全性和飞行可靠性。（2）支撑适航审定与监管标准为各国民航管理机构在无人机适航审定中有关结构强度和振动安全性的评估提供了国际公认的技术依据。监管机构可参照本标准制定适航审定所需的振动测试要求和技术规范，有效提升了审定工作的科学性和规范性。（3）促进国际互认与贸易便利统一的标准测试方法意味着在不同国家和地区、不同实验室获得测试结果具有可比性和可互认性。这大幅降低了无人机产品跨国贸易中的重复测试成本，有助于打破技术性贸易壁垒，促进国际市场的开放与合作。5.3对标准化工作的启示ISO5109:2023的成功制定可为我国主导或参与国际标准化工作提供以下参考：一是需准确把握产业发展脉搏，在新兴技术领域早期阶段即布局国际标准研制；二是充分发挥产业规模优势，组织国内优势单位开展联合攻关和试验验证，以扎实的技术数据支撑国际标准制定；三是加强国际标准化人才培养，建设一支具有国际视野和专业技术能力的标准化专家队伍。六、结论与展望6.1主要结论ISO5109:2023作为国际标准化组织发布的首项专门针对多旋翼无人驾驶飞机共振频率评估的方法标准，具有重要的开创性意义。本报告通过对该标准的系统分析，形成以下主要结论：第一，标准填补了国际空白。在ISO5109:2023发布之前，多旋翼无人机共振频率评估缺乏统一的国际标准依据，该标准的出台有效填补了这一空白，为全球范围内的无人机设计、测试和适航管理提供了权威的技术参考。第二，技术内容科学合理。标准基于成熟的实验模态分析理论，吸收了行业的最佳工程实践，采用实测数据驱动的方法框架，既保证了技术的严谨性，又兼顾了操作的可行性。分级判定准则的引入使标准的工程适用性显著增强。第三，国际协作机制有效。该标准的成功制定充分体现了ISO框架下各成员国之间的技术协作和协商一致机制的有效运转。以中国航空综合技术研究所为代表的中国技术力量在国际标准制定中发挥了积极作用，为全球无人机标准化事业贡献了中国智慧和中国方案。6.2未来展望面向未来，ISO5109:2023所确立的技术框架和标准化方法论将在以下方面持续发挥影响：（1）标准体系的进一步完善。随着无人机技术的快速迭代，尤其是多旋翼无人机向大型化、高速化、智能化方向的持续演进，共振频率评估方法也将面临新的挑战。后续可能针对不同重量等级、不同构型（如倾转旋翼无人机、混合翼无人机）的无人机，制定更有针对性的补充标准或技术规范。（2）与新技术融合的趋势。随着数字孪生、人工智能和机器学习技术在结构健康监测领域的广泛应用，未来的共振频率评估有望从试验室阶段检测向运行状态实时监测方向延伸。ISO5109:2023确定的频率测量与分析方法，可作为在线监测技术的基线参考方法，为未来无人机结构健康管理相关标准的制定奠定基础。（3）国际互认的深化。建议中国无人机产业界和标准化界以ISO5109:2023为依据，推动国内相关标准（如GB/T、MH/T系列标准）的修订升级，实现国家标准与国际标准的深度衔接。同时，依托中国在全球多旋翼无人机制造领域的领先地位，在后续标准修订中持续输出中国的工程实践和研究成果，进一步提升中国在国际无人机标准化领域的影响力和话语权。6.3结语综上所述，ISO5109:2023《通过测量旋翼和机身频率评估多旋翼UA（无人驾驶飞机）共振频率的方法》的发布是全球无人机标准化进程中的一个重要里程碑。该标准以严谨的技术内容、科学的方法框架和广泛的国际共识，为多旋翼无人机的结构安全设计与验证提供了统一标尺。我们期待该标准在全球范围内的广泛应用，切实推动无人机产业安全水平的提升，为人类社会的低空经济发展保驾护航。参考文献[1]ISO5109:2023