一種無(wú)人機(jī)的研究

蔚國(guó)飛 鐘 力 / 上海電機(jī)學(xué)院

一種無(wú)人機(jī)的研究

蔚國(guó)飛 鐘 力 / 上海電機(jī)學(xué)院

本文提出一種既可以像直升機(jī)那樣實(shí)現(xiàn)豎直方向的懸停、垂直起降以及高機(jī)動(dòng)性，同時(shí)又可像固定翼飛機(jī)那樣利用機(jī)翼的升力進(jìn)行相對(duì)低能耗的長(zhǎng)途奔襲的無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)。該無(wú)人機(jī)可在不同飛行任務(wù)下實(shí)現(xiàn)變形，并在四葉槳飛行器和固定翼飛行器之間進(jìn)行切換，從而滿足不同環(huán)境的需求。

無(wú)人機(jī)；垂直起降；研究

引言

隨著無(wú)人機(jī)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)在對(duì)未知領(lǐng)域的勘測(cè)及危險(xiǎn)區(qū)的偵查，尤其是在軍事無(wú)人探測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，作用爺越來(lái)越大。由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的實(shí)際情況復(fù)雜多變，對(duì)無(wú)人機(jī)提出了更高的要求：既要高機(jī)動(dòng)靈活，又要具備較大的飛行半徑。而現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)方案難以滿足上述要求。直升機(jī)和四葉槳飛行器均可垂直起降，但直升機(jī)飛控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)復(fù)雜、不易維護(hù)，四葉槳飛行器能耗大、飛行速度低、飛行半徑很??；固定翼飛機(jī)飛行能耗小、飛行半徑大，但垂直起降與懸停實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且不適用于狹小地段的偵查。目前的可以實(shí)現(xiàn)垂直起降的無(wú)人機(jī)分為兩大類：推力定向式和推力換向式。推力定向式無(wú)人機(jī)存在機(jī)構(gòu)復(fù)雜,不易維護(hù),飛控系統(tǒng)復(fù)雜，在長(zhǎng)途奔襲時(shí)能源耗費(fèi)較大等缺點(diǎn)；推力換向式無(wú)人機(jī)要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難，要么機(jī)動(dòng)靈活性能不足。

1.新結(jié)構(gòu)無(wú)人機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)與實(shí)現(xiàn)

（1）如何保證翼端變形運(yùn)動(dòng)到位后鎖定：采用二態(tài)四桿機(jī)構(gòu)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，為滑塊搖桿機(jī)構(gòu)；在搖桿運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，利用推桿端部和轉(zhuǎn)動(dòng)桿頂部之間的摩擦，起到定位鎖定的功能；

（2）如何保證各個(gè)電機(jī)更好地協(xié)調(diào)：利用陀螺儀來(lái)輔助控制各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；

（3）在四葉槳飛行器狀態(tài)下，如何控制飛機(jī)在航向上轉(zhuǎn)彎：在涵道下方安裝導(dǎo)流板，通過(guò)調(diào)整導(dǎo)流板的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。

2.無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)

新結(jié)構(gòu)無(wú)人機(jī)采用葉槳為動(dòng)力，可以像直升機(jī)和四葉槳飛行器那樣豎直懸停，垂直起降；而在巡航飛行時(shí)，2個(gè)葉槳可以翻轉(zhuǎn)90°，同時(shí)，翼端可以展開(kāi)，此時(shí)，無(wú)人機(jī)變形為三角翼布局的固定翼飛機(jī)。其結(jié)構(gòu)包括：主體，伸展單元，驅(qū)動(dòng)單元和轉(zhuǎn)向單元等部分。主體包括機(jī)身1，位于機(jī)身下方的支撐以及位于支撐板下方的轉(zhuǎn)輪；伸展單元包括鉸接于主體兩側(cè)的側(cè)翼2以及驅(qū)動(dòng)側(cè)翼旋轉(zhuǎn)的伸展電機(jī)17；驅(qū)動(dòng)單元包括固定于機(jī)身的多個(gè)旋翼15、分別驅(qū)動(dòng)每個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)的多個(gè)第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)8以及分別驅(qū)動(dòng)每個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向發(fā)生改變的多個(gè)第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)16；轉(zhuǎn)向單元包括固定于機(jī)身端部的導(dǎo)流板4以及驅(qū)動(dòng)導(dǎo)流板旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向電機(jī)7。機(jī)身和支撐板是通過(guò)多根支撐桿14和23等進(jìn)行固定；在支撐板上且靠近支撐板的前端固定設(shè)置有攝像頭10；在支撐板后端的左右兩側(cè)固定伸展電機(jī)17，在伸展電機(jī)一側(cè)的支撐板上安裝導(dǎo)軌18，導(dǎo)軌設(shè)有導(dǎo)槽19；螺母20的底部嵌于導(dǎo)軌的導(dǎo)槽內(nèi)，螺母的中部的內(nèi)螺紋通孔套于絲杠21上，螺母的頂部的鉸鏈與連接桿22的底部鉸接；連接桿的頂部的鉸鏈與側(cè)翼下部鉸接；旋翼的底部與第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)17固定相連；在機(jī)身的下方固定有第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)8；導(dǎo)流板4通過(guò)軸承固定在機(jī)身上，軸承的外圈5與導(dǎo)流板4底部固定相連，軸承的內(nèi)圈6與機(jī)身固定相連。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.無(wú)人機(jī)的實(shí)施

操作者調(diào)試好無(wú)人機(jī)的初始設(shè)置狀態(tài)，打開(kāi)四個(gè)第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)，此時(shí)無(wú)人機(jī)可以垂直的進(jìn)行升空，再通過(guò)控制第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)將兩側(cè)的旋翼進(jìn)行90度的旋轉(zhuǎn)，此時(shí)無(wú)人機(jī)可以前進(jìn)，然后通過(guò)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)，可以左右轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)流板，可以根據(jù)要求進(jìn)行合適的轉(zhuǎn)向，在整個(gè)飛行過(guò)程中，支撐板前部的攝像頭實(shí)時(shí)的進(jìn)行拍攝并通過(guò)無(wú)線傳輸將訊息傳遞給操作者，當(dāng)操作完畢時(shí)，再通過(guò)控制第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)旋翼90度，此時(shí)可以進(jìn)行垂直的下降。

當(dāng)無(wú)人機(jī)垂直起降或者需要減小無(wú)人機(jī)尺寸時(shí)，其翼端折疊，為四葉槳飛行器；當(dāng)巡航飛行時(shí)，翼端展開(kāi)、涵道翻轉(zhuǎn)90°時(shí)為固定翼飛行器；當(dāng)垂直起降時(shí)，翼端折疊，4個(gè)葉槳作為動(dòng)力，構(gòu)成四葉槳飛行器，可以輕松實(shí)現(xiàn)垂直起降功能，同時(shí)折疊的機(jī)翼可以作為起落架使用；在巡航飛行時(shí)，兩個(gè)葉槳翻轉(zhuǎn)90°，推動(dòng)無(wú)人機(jī)飛行，其它兩個(gè)葉槳關(guān)閉，可以節(jié)省能耗；同時(shí)，翼端展開(kāi)，構(gòu)成三角翼氣動(dòng)布局，便于巡航飛行，具有較高的飛行速度和較大的飛行半徑。

[1]查海衛(wèi)、辛紹杰，張婧，李林冬，蔚國(guó)飛，陳睿.無(wú)人機(jī).中國(guó)，ZL201510490493.6[P]2017年5月17日.

蔚國(guó)飛，男，上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，本科生。

鐘力，女，上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院副教授。