淺析多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)

金昱洋 王智超 曲以春

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.07.013

摘 要：近年來，多旋翼無人機(jī)發(fā)展迅速，因操作簡單、攜帶便捷、成果多樣，被廣泛應(yīng)用于國家發(fā)展建設(shè)的多個(gè)領(lǐng)域。該文從多旋翼無人機(jī)全系統(tǒng)出發(fā)，依次提出了動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)體主要承力部件、后期數(shù)據(jù)處理、信道通信和任務(wù)云臺(tái)等方面限制多旋翼無人機(jī)發(fā)展的諸多瓶頸問題和現(xiàn)有不足，并針對(duì)以上問題進(jìn)行具體分析和技術(shù)研究，同時(shí)提出技術(shù)改進(jìn)意見。

關(guān)鍵詞：多旋翼無人機(jī) 發(fā)展瓶頸 技術(shù)改進(jìn)

中圖分類號(hào)：V27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）03（a）-0013-04

Technological Improvement of Multi-Rotor UAV

Jin Yuyang Wang Zhichao Qu Yichun

（61206 troops，Dalian Liaoning，116023，China）

Abstract：Recent years， multi-rotor Unmanned Aerial Vehicle develops fast and has a wide range of applications in national development and construction. Aiming at a series of developing bottlenecks of multi-rotor UAV， this paper expounds technological researches and puts forward suggestions of dynamic system， main load-bearing components， post data processing， channel communication and pan-tilt platform for improvement.

Key Words：Multi-rotor UAV； Developing bottlenecks； Technological improvement

多旋翼無人機(jī)具有完成任務(wù)多樣、體積小、重量輕、方便攜帶和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。該型無人機(jī)可以拍照、攝像，成果可以生成三維模型、正射影像，還可以通過后期軟件進(jìn)行成果的二次應(yīng)用[1]。但在多旋翼無人機(jī)迅速發(fā)展的同時(shí)，諸多制約發(fā)展的瓶頸問題愈發(fā)的凸顯，這些問題將在該文列舉和分析，并提出改進(jìn)意見。

1 動(dòng)力系統(tǒng)

多旋翼無人機(jī)均采用電池供電，續(xù)航時(shí)間是20～50 min，掛載1 kg以上的任務(wù)云臺(tái)，飛行時(shí)間會(huì)明顯減少至15～30 min。如圖1所示多旋翼無人機(jī)的4種通用電池。

多旋翼無人機(jī)依據(jù)目前的技術(shù)水平只能采用電池供電，通過電池帶動(dòng)高性能電機(jī)和螺旋槳旋轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生足夠飛機(jī)飛行機(jī)動(dòng)的動(dòng)力。目前電池供電的問題是飛機(jī)滯空時(shí)間短，這個(gè)問題制約了飛行效率，只能依靠多架次的飛行來彌補(bǔ)。

1.1 增大電池容量的可行性分析

（1）從安全層面考慮，大容量電池現(xiàn)在受到多重制度管制，公共交通運(yùn)輸工具不允許攜帶容量大、放電能力強(qiáng)d的電池；一般電池生產(chǎn)廠家也不允許生產(chǎn)過大容量的電池，所以從制度層面是不可行的。

（2）增大電池容量會(huì)線性增加電池的重量，進(jìn)而直接增加飛機(jī)的起飛重量，飛機(jī)的起飛重量一旦增加，續(xù)航時(shí)間就會(huì)顯著縮短。

所以，簡單的增大電池容量是不可行的。

1.2 采用燃油動(dòng)力系統(tǒng)的可行性分析

化石燃料熱值高，作為燃料會(huì)極大地增強(qiáng)飛行器的續(xù)航能力，然而多旋翼飛機(jī)很難像固定翼飛機(jī)一樣采用化石燃料提供動(dòng)力。原因在于，固定翼飛機(jī)以燃油產(chǎn)生的能量需要通過1套或2套傳動(dòng)裝置帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生飛行動(dòng)力。多旋翼飛機(jī)，以六旋翼飛機(jī)為例，如果采用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，就需要6套傳動(dòng)裝置同時(shí)連接發(fā)動(dòng)機(jī)獲取動(dòng)力，進(jìn)而帶動(dòng)6個(gè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生飛行動(dòng)力。多套傳動(dòng)裝置的重量極大地增加了起飛重量；傳動(dòng)過程中齒輪間摩擦帶來的能量損耗極大地降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，所以，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)做了大量的額外功、效率低下，同時(shí)也無法滿足無人機(jī)小型化的發(fā)展趨勢(shì)[2]。

綜合以上的分析，動(dòng)力系統(tǒng)的改進(jìn)必須依靠高性能電池的發(fā)明和生產(chǎn)，重量輕、容量大的電池必然會(huì)帶來多旋翼無人機(jī)領(lǐng)域的革命。

2 機(jī)體主要承力部件

飛機(jī)材料的受力強(qiáng)度是檢驗(yàn)飛機(jī)性能是否可靠的重要指標(biāo)，也是飛機(jī)能否安全飛行的重要保障[3]。飛機(jī)的強(qiáng)度主要體現(xiàn)在電機(jī)的強(qiáng)度，電機(jī)與飛機(jī)臂連接座的強(qiáng)度，飛機(jī)機(jī)體的強(qiáng)度，這3個(gè)位置是飛機(jī)飛行的主要受力部位。以上部位一旦出現(xiàn)問題，飛機(jī)輕則降落受損，重則墜機(jī)。

2.1 影響電機(jī)強(qiáng)度的因素

2.1.1 電機(jī)旋轉(zhuǎn)不共面對(duì)電機(jī)強(qiáng)度的影響

電機(jī)經(jīng)過一段時(shí)間的使用會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子松動(dòng)，使電機(jī)的旋轉(zhuǎn)不在同一平面上，導(dǎo)致螺旋槳做額外功，降低工作效率，還會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與電機(jī)周邊發(fā)生磨損，使電機(jī)越旋轉(zhuǎn)越不共面，越工作效率越低。所以，電機(jī)質(zhì)量是非常重要的，而且飛機(jī)在每次飛行前都必須對(duì)電機(jī)進(jìn)行共面檢查。

2.1.2 電機(jī)安裝不水平對(duì)電機(jī)強(qiáng)度的影響

電機(jī)的安裝是無法保證絕對(duì)水平的，旋轉(zhuǎn)著的不水平的電機(jī)產(chǎn)生的升力不是垂直向上的，會(huì)產(chǎn)生較大的水平方向的分力，飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)，6個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使飛機(jī)整體時(shí)刻保持平衡狀態(tài)，這種調(diào)整就會(huì)使各電機(jī)的轉(zhuǎn)速明顯不一致。長期地轉(zhuǎn)速不一致和螺旋槳不水平旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致個(gè)別電機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子松動(dòng)的現(xiàn)象。

綜合以上兩部分的分析，多旋翼飛機(jī)的一個(gè)優(yōu)化方向就是出廠前應(yīng)該做好電機(jī)的水平調(diào)整，并且一旦調(diào)整水平就緊固。用戶在使用時(shí)只需組裝螺旋槳，不需要調(diào)整電機(jī)和電機(jī)座，這樣提高工作效率的同時(shí)也延長了飛機(jī)電機(jī)的使用壽命。如圖2所示，飛機(jī)每一次飛行前需用水平尺調(diào)整電機(jī)水平。

2.1.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速不一致對(duì)電機(jī)強(qiáng)度的影響

多旋翼飛機(jī)為了保持飛行的平衡，避免陷入自旋狀態(tài)，電機(jī)的排序是按照順時(shí)針、逆時(shí)針交替分配的，在飛機(jī)飛行時(shí)共同產(chǎn)生向上的升力，相互抵消產(chǎn)生的水平分力[4]。但是根據(jù)實(shí)際飛行經(jīng)驗(yàn)，逆轉(zhuǎn)電機(jī)與順轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是不相等的，而且始終是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要快于相應(yīng)的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，每一個(gè)架次的飛行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)這樣的規(guī)律，而且緯度越高這種差異會(huì)呈現(xiàn)變大的趨勢(shì)。地球自西向東的自轉(zhuǎn)對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)產(chǎn)生微弱的影響，而且這種差異肉眼不可見，只能通過數(shù)據(jù)分析。（見圖3～圖8）。

圖3、4、5和圖6、7、8分別為多旋翼無人機(jī)在遼寧省大連市（北緯39°）和內(nèi)蒙古自治區(qū)蘇尼特右旗（北緯42.4°）兩次飛行的電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，橫軸為時(shí)間，豎軸為電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)。圖3、6為1號(hào)、2號(hào)電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，圖4、7為3號(hào)、4號(hào)電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，圖5、8為5號(hào)、6號(hào)電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。其中1、3、5號(hào)電機(jī)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)電機(jī)；2、4、6號(hào)電機(jī)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電機(jī)，電機(jī)按照由1～6的順序，逆轉(zhuǎn)順轉(zhuǎn)交替排序。據(jù)圖分析，在這兩地各逆轉(zhuǎn)電機(jī)均要快于相應(yīng)的順轉(zhuǎn)電機(jī)。在北緯39°地區(qū)，逆轉(zhuǎn)電機(jī)平均比順轉(zhuǎn)電機(jī)每分鐘快500～1 000 r；在北緯42.4°地區(qū)，逆轉(zhuǎn)電機(jī)平均比順轉(zhuǎn)電機(jī)每分鐘快1 000～2 000 r，差距十分明顯。

由此可以得出結(jié)論：在北半球，逆轉(zhuǎn)電機(jī)比順轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速高，緯度越高，順逆轉(zhuǎn)速的差值越大，在北極這種差異會(huì)達(dá)到最大；在赤道，差值為零，即順、逆轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)大致相當(dāng)。在南半球，這種情況會(huì)剛好反過來，順轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)快于逆轉(zhuǎn)電機(jī)，而且越靠近南極，差值越大，越靠近赤道，差值越小。

所以，順逆旋轉(zhuǎn)的電機(jī)經(jīng)過一段時(shí)間的使用，其磨損程度是不同的，在北半球使用多旋翼無人機(jī)要尤其關(guān)注逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)電機(jī)的磨損，并注意保養(yǎng)和更換。

2.2 電機(jī)連接座的強(qiáng)度

機(jī)身與電機(jī)連接座是飛機(jī)的重要承力部件，這些部件直接保障著飛機(jī)的飛行質(zhì)量，一旦損壞，飛機(jī)就無法完成飛行任務(wù)。多旋翼無人機(jī)的一個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)就是：一個(gè)或不是同一側(cè)的兩個(gè)電機(jī)損壞、飛機(jī)機(jī)臂損壞或電機(jī)連接座損壞，只要損壞的部分不影響其他電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，飛機(jī)都能夠通過飛控系統(tǒng)自動(dòng)保持姿態(tài)平衡，進(jìn)行迫降，從而可以極大地減少裝備損毀（見圖9）。

飛機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)不能夠代替材料的強(qiáng)度，依然要從制作工藝和材料的選擇上，選擇并制造質(zhì)量輕而且強(qiáng)度大的電機(jī)連接座。

2.3 飛機(jī)機(jī)體的強(qiáng)度

現(xiàn)在的多旋翼無人機(jī)的機(jī)體采用鋁鈦合金和碳纖維材料[5]，質(zhì)量輕、強(qiáng)度大，體現(xiàn)出了卓越的性能，非常適合多旋翼無人機(jī)。目前機(jī)體材料已經(jīng)發(fā)展到較高水平了。

3 后期數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)航攝飛行可以獲取像片、視頻兩種重要的一手資料，一手資料通過數(shù)據(jù)處理目前可以得到真三維模型、影像圖（包括彩色影像、彩紅外影像、黑白影像等等）和剪輯視頻等后期成果，個(gè)別性能較好的軟件可以在以上成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析、判讀、決策等更高級(jí)別的二次應(yīng)用。

現(xiàn)在市場(chǎng)上使用的無人機(jī)航攝飛行數(shù)據(jù)處理軟件均為國外生產(chǎn)的，我國目前還沒有成熟的而且具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)據(jù)處理軟件。

國外的數(shù)據(jù)處理軟件，數(shù)據(jù)處理的周期依然較長。如果快速獲得數(shù)據(jù)成果就需要犧牲成果質(zhì)量；如果需要得到高質(zhì)量的成果就需要大量的數(shù)據(jù)處理時(shí)間?，F(xiàn)在還不能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量成果的快速處理。

4 信道通信

4.1 通信頻率

目前我國多旋翼無人機(jī)支持的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸頻率是2.4 GHz和5.8 GHz，而飛機(jī)遙控器與飛機(jī)之間、地面站與飛機(jī)之間都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)進(jìn)行傳輸?shù)腫6]。為了節(jié)約制造成本，飛機(jī)生產(chǎn)廠商在飛機(jī)與地面站和遙控器之間都統(tǒng)一采用2.4 GHz或5.8 GHz的通信頻率，而且頻率范圍接近。一般遙控器的信號(hào)發(fā)射功率要遠(yuǎn)大于地面站的電臺(tái)，在實(shí)際飛行過程中，如果遙控器與地面站相距較近，遙控器會(huì)直接搶占并干擾地面站頻率，導(dǎo)致飛機(jī)與地面站失聯(lián)，使地面站無法實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)飛行狀態(tài)，增加飛機(jī)飛行的安全隱患。

兩種通信之間應(yīng)當(dāng)避免頻率范圍過近，甚至有交集，調(diào)整二者通信頻率使之產(chǎn)生一定的間隔，就可以有效地避免地面站與飛機(jī)失聯(lián)的情況發(fā)生。

4.2 通信功率

在有復(fù)雜電磁環(huán)境或有較強(qiáng)磁干擾的區(qū)域執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，飛機(jī)容易出現(xiàn)與遙控器、地面站雙失聯(lián)的情況，造成失聯(lián)返航或失聯(lián)迫降的情況發(fā)生，導(dǎo)致無法執(zhí)行任務(wù)或飛行事故。所以，增強(qiáng)天線的發(fā)射功率、強(qiáng)化各信道通信的抗干擾能力是完成復(fù)雜電磁條件下飛行的重要保證。

5 任務(wù)云臺(tái)

目前來講，多功能集成平臺(tái)只能滿足一般攝影需求，無法滿足測(cè)繪等更高級(jí)別應(yīng)用需求。拍攝精度高、成果質(zhì)量好的任務(wù)云臺(tái)一般功能比較單一，只能拍照或是攝像，不能同時(shí)具備拍照、攝像和實(shí)時(shí)傳輸?shù)裙δ?，通常根?jù)專項(xiàng)任務(wù)掛載專項(xiàng)平臺(tái)，所以，完成任務(wù)能力大大受限。

云臺(tái)需要同時(shí)集成拍照、攝像和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)裙δ埽揖雀?、體積小、重量輕、抗撞擊、具備防雨能力。這種綜合性、通用性的任務(wù)云臺(tái)，會(huì)是未來多旋翼無人機(jī)云臺(tái)的重要發(fā)展方向[6]。

多旋翼無人機(jī)的任務(wù)云臺(tái)還可以根據(jù)任務(wù)的需要進(jìn)一步攜帶科技含量更高的遙感器，比如：合成孔徑側(cè)視雷達(dá)、紅外線熱成像儀、高清夜視儀、多光譜掃描儀等等，為完成多樣化的任務(wù)提供了可能。

6 結(jié)語

該文結(jié)合使用多旋翼無人機(jī)的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，從多旋翼無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)體主要承力部件、后期數(shù)據(jù)處理、信道通信以及任務(wù)云臺(tái)等幾個(gè)方面列舉分析了制約多旋翼無人機(jī)發(fā)展的瓶頸問題，探討研究了技術(shù)改進(jìn)方法，為多旋翼無人機(jī)下一步的發(fā)展具有較強(qiáng)的指導(dǎo)和借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 聶博文，馬宏緒，王劍，等.微小型四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].電光與控制，2007，14（6）：113-117.

[2] （美）Paul Gerin Fahistrom.無人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012.

[3] WangW，SuzukiS，NonamiK.Fully autonomous quadrotor MAV and flying performance with complete embedded system[C]//Proceedings of the 9th International Conference on Motion and Vibration Control.2008.

[4] 李軍偉，崔師，李連強(qiáng).基于模糊PID的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（2）：77-79.

[5] 王偉，馬浩，徐金琦，等.多旋翼無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)體設(shè)計(jì)方法研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014（5）：147-150.

[6] 昂海松.微型飛行器系統(tǒng)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2013.