混合翼無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)

劉輝++陳立業(yè)++鄒馨毅++馬思遠(yuǎn)

摘 要針對(duì)如今市面上航拍器飛行速度慢，不能很快達(dá)到指定地點(diǎn)，當(dāng)搭載較大攝影設(shè)備時(shí)，需要體積大，價(jià)格昂貴的多軸飛行器的現(xiàn)狀。本文設(shè)計(jì)一款以載重量高，速度較快可垂直起降為特點(diǎn)的四軸與固定翼為一體的無(wú)人機(jī)。著重研究垂直轉(zhuǎn)平飛狀態(tài)及飛機(jī)的空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】混合翼無(wú)人機(jī) 氣動(dòng)布局 設(shè)計(jì) 飛控

1 引言

本文所設(shè)計(jì)的混合翼無(wú)人機(jī)中提及的混合翼體現(xiàn)在飛機(jī)起降階段，采用四旋翼的垂直起降方式，通過(guò)控制四個(gè)涵道電機(jī)的輸出功率來(lái)控制飛機(jī)起降的平衡；平飛階段，則是同固定翼一樣通過(guò)控制舵機(jī)來(lái)改變飛機(jī)的翼面來(lái)控制飛機(jī)的飛行姿態(tài)，此時(shí)涵道只是用做動(dòng)力輸出。所以本飛機(jī)設(shè)計(jì)的第一性能特點(diǎn)在于當(dāng)飛機(jī)滿載時(shí)依然具有較好的操作性和自行穩(wěn)定性。用于投放救災(zāi)藥品、救生設(shè)備以及拍攝具有非?？煽康男阅埽w機(jī)空機(jī)重量輕，飛機(jī)體格大，其突然優(yōu)點(diǎn)是不用考慮環(huán)境隨意降落。

2 硬件部分

2.1 總體布局

本文所設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)，飛機(jī)翼展2.2米，空重3Kg，使用4臺(tái)涵道機(jī)，額定轉(zhuǎn)速42000r/min。飛行速度45km/h，最小轉(zhuǎn)彎半徑40米，最大爬升角度40°，高強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性和載重能力主要面向山區(qū)、城市等飛行環(huán)境密集狀況下的短途貨物運(yùn)輸和拍攝工作。

飛機(jī)主體結(jié)構(gòu)采用優(yōu)質(zhì)的航空層板和巴爾沙輕木制作，采用熱縮膜作為蒙皮，主要承力結(jié)構(gòu)使用碳纖維復(fù)合材料和鋁合金相配合，具有空機(jī)結(jié)構(gòu)重量輕，制造成本低，加工工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

垂尾選擇使用雙尾梁結(jié)構(gòu)，一般來(lái)說(shuō)，更大的機(jī)身和更大的翼展通常意味著更大的航程。更大的機(jī)身，機(jī)身結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)、機(jī)載設(shè)備所占用的空間和重量比例小，負(fù)載空間更大，設(shè)計(jì)上電池位置也更容易配平。更大的翼展有更好的展弦比，升阻比提升，節(jié)約能量。圖1是整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖。

2.2 機(jī)翼平面設(shè)計(jì)

本機(jī)型設(shè)計(jì)巡航速度為45Km/h，屬于慢速無(wú)人機(jī)，在做氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需考慮空氣壓縮性及激波阻力的影響，1/4弦線后掠角設(shè)為0°，通常大展現(xiàn)比機(jī)翼的誘導(dǎo)阻力會(huì)更小，機(jī)翼的三維效應(yīng)較小，會(huì)有更高的升阻特性，通常梢根比0.45時(shí)最接近橢圓形環(huán)量分布。根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及常用航模制作材料情況綜合考慮，初步將本機(jī)翼翼根弦長(zhǎng)設(shè)為0.3米，翼梢弦長(zhǎng)0.25米，翼展2.2米，作為后續(xù)詳細(xì)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的參考性進(jìn)行計(jì)算。

2.3 動(dòng)力系統(tǒng)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降以及提高平飛時(shí)的機(jī)動(dòng)性能，我們采用涵道電機(jī)作為飛機(jī)的動(dòng)力輸出，將四個(gè)涵道電機(jī)置于左右機(jī)翼前后構(gòu)成X型，起降階段，四個(gè)涵道類似于四旋翼無(wú)人機(jī)的四個(gè)螺旋槳，由飛控控制其輸出功率使飛機(jī)平穩(wěn)起飛；平飛階段由舵機(jī)連接涵道，實(shí)現(xiàn)涵道的90度旋轉(zhuǎn)，此時(shí)飛機(jī)結(jié)構(gòu)變成普通的固定翼進(jìn)行控制。

2.4 涵道旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖所示，經(jīng)過(guò)車床加工的鋁合金件1一端通過(guò)螺絲與連接片固定在尾梁上，另一端與涵道相連接，起到懸掛電機(jī)的功能。鋁合金件2固定在涵道發(fā)動(dòng)機(jī)上，通過(guò)碳纖維桿與固定在機(jī)身上的舵機(jī)相連接。起飛時(shí)，四個(gè)涵道發(fā)動(dòng)機(jī)均與地面成垂直狀態(tài)，提供飛機(jī)離地所需升力。當(dāng)飛機(jī)達(dá)到預(yù)定高度后，通過(guò)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)涵道發(fā)動(dòng)機(jī)沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)90°，使飛機(jī)平飛。

3 軟件部分

飛行控制器的設(shè)計(jì)是基于ST公司生產(chǎn)的STM32F103C8T6芯片，應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARMCortexM-3內(nèi)核，擁有豐富的片上資源，相比市面上的成品飛控，可大大降低系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本，節(jié)約資源。此款飛控的開(kāi)發(fā)是在Keil平臺(tái)下完成的，主要完成硬件平臺(tái)初始化、飛行姿態(tài)解算、遙控信號(hào)解碼、電機(jī)以及舵機(jī)控制、飛行模式轉(zhuǎn)換等工作，圖2是整個(gè)飛控的控制流程圖。

3.1 姿態(tài)解算

飛行姿態(tài)解算方面，采用MPU6050官方的基于MSP430的DMP庫(kù)，將它移植到STM32平臺(tái)下，可直接輸出四元數(shù)，在通過(guò)轉(zhuǎn)算得到歐拉角，即獲得飛機(jī)此時(shí)的姿態(tài)；

3.2 遙控信號(hào)解碼

遙控信號(hào)解碼方面，此款飛控采用的是天地飛9通道遙控器，通過(guò)stm32的定時(shí)器輸入捕獲功能捕獲遙控器接收機(jī)輸出的不同占空比的PWM信號(hào)來(lái)讀取各通道的控制量。

3.3 電機(jī)控制

電機(jī)的控制方面，通過(guò)遙控信號(hào)獲取期望的控制值與解算出的當(dāng)前的姿態(tài)做對(duì)比來(lái)控制電機(jī)的輸出量，采用的角度和角速度的雙閉環(huán)PID算法，角度的誤差被作為期望輸入到角速度控制器中 （角度的微分就是角速度），采用雙環(huán)PID能改善機(jī)身飛行過(guò)程中的自旋問(wèn)題并有效的提高飛行系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 總結(jié)

在機(jī)身結(jié)構(gòu)足夠強(qiáng)的情況下，同過(guò)遙控進(jìn)行飛行模式的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的平穩(wěn)的垂直起降，以及在平飛階段具有明顯的高機(jī)動(dòng)性能。此款飛機(jī)的實(shí)際尺寸與重量超過(guò)了起初設(shè)計(jì)的參數(shù)，但是四個(gè)涵道的推力仍能夠滿足動(dòng)力需求，只是電力消耗上會(huì)稍微有些大，是飛機(jī)的續(xù)航能力不是很好，后續(xù)希望可以通過(guò)改進(jìn)機(jī)身結(jié)構(gòu)和優(yōu)化供電方案來(lái)提升飛機(jī)的續(xù)航能力。

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作者單位

中國(guó)民航大學(xué) 天津市 300300