旋翼無人機大氣探測設(shè)備布局仿真優(yōu)化設(shè)計

沈 奧，周樹道，王 敏，彭舒齡，任尚書

(1.國防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，南京 211100； 2.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210000)

0 引言

利用多旋翼無人機進行氣象探測是在多旋翼無人機平臺的發(fā)展和大氣探測技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型氣象探測方法[1]?？梢詫⑻綔y儀器直接加裝在多旋翼無人機上，對指定區(qū)域進行探測。具有人機分離、按指定航線探測、飛行高度高、可重復(fù)使用、機動性強、直接探測等優(yōu)點，而多旋翼無人機操作控制簡單、起降方便、成本低，特別是可以實現(xiàn)懸停飛行和垂直起降，能夠?qū)Υ髿獯怪狈植继卣鬟M行探測，使其在氣象探測中具有了獨特的作用和優(yōu)勢，得到了廣泛的應(yīng)用[2-3]。

如今對于無人機流場的分析多用于固定翼無人機，或者分析旋翼無人機的氣動外形，用以提升無人機的性能，降低功耗[4-6]。而對于旋翼無人機搭載傳感器進行探測，則需要對無人機產(chǎn)生擾流場進行分析，否則將會使探測產(chǎn)生較大誤差。所以，研究多旋翼無人機流場對提高多旋翼無人機氣象探測精度具有重要意義。

本文首先對常見氣動布局(四旋翼、六旋翼、八旋翼無人機不同翼間距的布局)的多旋翼無人機的流場進行仿真計算，分析總結(jié)出不同氣動布局多旋翼無人機的流場特點，進而結(jié)合大氣探測設(shè)備的類型和原理，對大氣探測設(shè)備的使用提出建議，最后針對多旋翼無人機流場的特點，對大氣探測設(shè)備提出改進方法，使其能在多旋翼無人機平臺上更精確地進行探測。

1 多旋翼無人機流場數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值計算模擬方法

常用的CFD計算方法的思想是利用有限體積法，把連續(xù)的空氣介質(zhì)離散化，對離散后的每一個單元進行數(shù)學(xué)描述，形成大型代數(shù)方程組，在計算機上進行求解。而對流場的分析，是基于N-S方程中的3個基本定律[7]：

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

式中，ρ為流體的密度，ui為流體速度沿i方向的分量，p是靜壓力，τij是應(yīng)力矢量，ρgi是i方向的重力分量，F(xiàn)i是由于阻力和能源而引起的其它能源項，h是熵，k是分子傳導(dǎo)率，kτ是由于湍流傳遞而引起的傳導(dǎo)率，Sh是定義的體積源。

由于需要計算的是旋翼在空氣中低雷諾數(shù)下的旋轉(zhuǎn)的問題，本文使用Spalart-Allmaras模型(簡稱S-A模型)來封閉方程組。S-A模型是專門為航空航天應(yīng)用所設(shè)計的，對于網(wǎng)格不是非常密的模型有較高的精度，計算時間短，在中小型流場仿真，特別是葉輪機計算中得到了廣泛使用[8]。而S-A模型在N-S方程基礎(chǔ)上，建立了μτ與k的函數(shù)作為運輸方程，從而使方程封閉。運輸方程為：

(4)

式中，?k、CD、Cμ為經(jīng)驗常數(shù)，l為模型中混合長度。

另外，湍流粘性系數(shù)為：

(5)

1.2 模型的建立

影響多旋翼無人機流場的因素有很多，如圖1所示，列舉了影響多旋翼無人機流場的部分因素。根據(jù)無人機的功能用途，設(shè)計了無人機不同的外形特征，其中旋翼數(shù)量、轉(zhuǎn)速和旋翼形狀共同決定了升力的大小，旋翼數(shù)和間距比則影響了無人機的穩(wěn)定性[9-10]，而旋翼數(shù)、轉(zhuǎn)速、旋翼形狀和間距比都會對流場產(chǎn)生影響。在本研究中，以9047螺旋槳(直徑9英寸，螺距4.7英寸)為例，分別對四旋翼和六旋翼無人機在不同間距比(相鄰兩旋翼中心距離L與旋翼直徑D之比)的情況下的流場情況進行分析。為了排除其他因素的干擾，分析使用的無人機模型除旋翼數(shù)和間距比不同之外，機身、支架大小不做改變。在SolidWorks軟件編輯多旋翼無人機的機身、支架和旋翼部分，再根據(jù)分析模型的參數(shù)調(diào)整模型，在ICEM中進行網(wǎng)格劃分。

圖1 影響多旋翼無人機流場的主要因素

1.3 網(wǎng)格的劃分

由于每一個旋轉(zhuǎn)旋翼的流場是非定常狀態(tài)，針對這一問題，可以將流體計算域劃分為多個區(qū)域：每一個旋翼所在的旋轉(zhuǎn)域和其余部分的靜止域。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對旋翼旋轉(zhuǎn)部分網(wǎng)格進行加密，相對遠離旋翼的部分網(wǎng)格相對稀疏，兼顧計算精度和計算效率[11]。

1.4 邊界條件設(shè)定

將旋翼所在的旋轉(zhuǎn)區(qū)域設(shè)定為繞旋翼中心旋轉(zhuǎn)的滑移網(wǎng)格，由于要平衡旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力矩，相鄰兩旋翼轉(zhuǎn)向相反，轉(zhuǎn)速設(shè)定為700 rad/s。旋翼邊界設(shè)定為與連接域同步轉(zhuǎn)動的moving wall。旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域邊界設(shè)置為interior。

1.5 結(jié)果分析

1.5.1 四旋翼無人機

四旋翼無人機在間距比為1時，流場速度矢量圖如圖2、圖3所示。圖中箭頭表示速度的方向，箭頭顏色表示速度的大小。從圖中可以看出，氣體流動最快的區(qū)域是在旋翼尖旋轉(zhuǎn)的區(qū)域，瞬時速度最快達到了87.83 m/s，整個計算域內(nèi)，氣體運動也比較劇烈，大多數(shù)區(qū)域風(fēng)速在0～20 m/s之間；旋翼通過旋轉(zhuǎn)，將上方的氣體螺旋向下吸入旋轉(zhuǎn)，然后向下噴出，為了更加直觀地觀察分析，加入了過無人機中心軸的豎直平面以及機身所在的水平平面作為切片進行分析。

圖2 速度矢量圖斜上視圖(L/D=1)

圖3 速度矢量圖平視圖(L/D=1)

如圖4、圖5所示，圖中不同顏色區(qū)域代表此區(qū)域內(nèi)氣體流動速度大小，區(qū)域邊界線即為速度大小的等值線。箭頭表示速度矢量，箭頭方向即為速度方向，箭頭的大小表示速度的大小。在豎直切片上(如圖4所示)，旋翼將無人機上方及外側(cè)氣體卷向無人機中心以及旋翼下方，流向無人機中心的氣流與機身和對流向碰撞，方向發(fā)生改變，分成了向上流動和向下流動的兩股，可以看出，向下的氣流強度較大。

而在水平切片上(如圖5所示)，在無人機機身的水平平面上，在與旋翼垂直對應(yīng)的區(qū)域，氣流隨旋翼轉(zhuǎn)動，形成漩渦，流速相對較大，旋翼中心區(qū)域較??；在無人機機身正上方和正下方，存在一塊流速相對較小的區(qū)域。

由于在實際探測中，為了維持無人機的平衡，探測設(shè)備的重心要盡量靠近無人機重心(一般多位于無人機的中心位置)，因此，要著重分析無人機中心附近區(qū)域的流場特點。結(jié)合圖4、圖5可以發(fā)現(xiàn)，在機身上下存在一塊近似橢圓錐形的靜風(fēng)區(qū)域。由于下洗氣流比較強并且方向更加集中，下方的區(qū)域跟上方相比較小，而橢圓錐底面橢圓長軸在z軸方向；在橢圓錐的底部，空氣入流由于對面入流以及兩側(cè)旋翼的作用，分成兩股，分別從兩側(cè)流出；在豎直方向上，機身上方從x軸方向匯入的氣流在機身中心附近改變方向，向上流動，在向上流動的過程中，受到旋翼向下漩渦的吸引，逐漸向兩側(cè)分流，在橢圓錐兩側(cè)改為向下流動，而在下方，由于距離旋翼較遠，下洗氣流強，z軸上向外的吸引對氣流影響減小，氣流方向主要由四周旋翼下洗氣流向中間擠壓，向中心流動，在錐體兩側(cè)，則有強烈的斜向下氣流。

圖4 豎直切面上速度云圖(L/D=1)

圖5 水平切片上速度云圖(L/D=1)

在實際運用中，同樣是四旋翼無人機，尺寸不同也會使流場不同，圖6、7和圖8、9就分別展示了當(dāng)間距比分別為1.1和1.2時，四旋翼無人機周圍的流場特征。通過對比圖4～9，不難看出，相鄰旋翼之間距離的增大，橢圓錐型的相對靜風(fēng)區(qū)總體形狀沒有改變，氣體流動方向變化也不大，但是距離的增大，靜風(fēng)區(qū)域范圍明顯增大，內(nèi)部氣流的相互干擾逐漸減輕，氣流流動方向和趨勢也更加清晰。

圖6 豎直切片上速度云圖(L/D=1.1)

圖7 水平切片上速度云圖(L/D=1.1)

圖8 豎直切片上速度云圖(L/D=1.2)

圖9 水平切片上速度云圖(L/D=1.2)

1.5.2 六旋翼無人機

由于多旋翼無人機飛行原理相似[12]，六旋翼無人機周圍的流場變化遵循的規(guī)律跟四旋翼無人機也十分相似，但為了保證相鄰旋翼不發(fā)生碰撞，分布在以無人機中心為圓心的圓上的旋翼數(shù)的增加，就要使無人機旋翼到無人機中心的距離增大，機身上下的相對靜風(fēng)區(qū)的范圍也相應(yīng)較大，如圖10、11所示。又由于相鄰旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反，在過無人機中心點的3個水平軸方向，產(chǎn)生了運動方向一致的氣流，如圖10所示。此外，六旋翼無人機動力源多，分布更分散，控制量增多，使得無人機穩(wěn)定性更好，無人機對于動力系統(tǒng)失效的容忍程度比四旋翼無人機要大，負(fù)載能力較強，同時，當(dāng)整機重量相差不大時，六旋翼無人機每一個旋翼所需產(chǎn)生的推力變得更小，轉(zhuǎn)速會相對較低，也降低了每個旋翼對流場的影響。

而當(dāng)六旋翼無人機間距比增大時，流場變化趨勢跟四旋翼無人機相似，靜風(fēng)區(qū)區(qū)域不斷變大，空氣流速逐漸降低，氣流流動方向規(guī)律更加明顯。

圖10 豎直切片上速度云圖(L/D=1)

圖11 水平切片上速度云圖(L/D=1)

1.5.3 八旋翼無人機

通過上述分析，我們不難發(fā)現(xiàn)，隨著無人機旋翼數(shù)的增加，無人機流場變化存在著明顯的規(guī)律，相比較四旋翼和六旋翼無人機，八旋翼無人機機身中心距離旋翼更遠，中心部分受到影響更小，中心區(qū)域的流場變化相對平緩；同時，八旋翼無人機穩(wěn)定性更強，負(fù)載能力更強，八旋翼可以承受單發(fā)甚至雙發(fā)失效的狀況，并且飛行器仍然可控，增加了飛行的安全性；當(dāng)負(fù)載相同時，每一個旋翼需要提升的轉(zhuǎn)速也相對較小。而這些因素都決定了利用多旋翼無人機進行氣象探測時，八旋翼無人機更有優(yōu)勢。

2 無人機流場對大氣探測設(shè)備的影響

大氣探測設(shè)備通常是在一個設(shè)備上集成多種傳感器配合主控板進行數(shù)據(jù)采集進行大氣探測，其種類多種多樣，技術(shù)也相當(dāng)成熟。但是在無人機大氣探測的過程可以發(fā)現(xiàn)，無人機上的探測設(shè)備的測量數(shù)據(jù)跟定點和飛艇測量的數(shù)據(jù)相比，有一定的偏差，并且波動較大。結(jié)合大氣探測設(shè)備的原理，可以發(fā)現(xiàn)，氣流的干擾會對傳感器的測量產(chǎn)生影響，而根據(jù)影響方式的不同，可以將流場對傳感器的影響情況分為以下幾類：

2.1 對溫度、濕度傳感器的影響

常用的能夠?qū)崟r連續(xù)監(jiān)測溫度的傳感器利用了熱敏電阻或其他元器件的溫度特性，通過測量元器件參數(shù)的大小，測量環(huán)境的溫度值[13-14]。這類傳感器在使用中，要考慮到元器件附近的散熱，如熱敏電阻，當(dāng)電流通過電阻，會產(chǎn)生熱量，此外，集成的探測儀中其他電路部分，也會有損耗，產(chǎn)生熱量。因此，需要一定的氣體流通，加速散熱，同時，通過對工作狀態(tài)下的值進行標(biāo)定，來修正誤差。而當(dāng)傳感器加裝在無人機上，無人機產(chǎn)生的氣流將會影響到傳感器正常的散熱環(huán)境，使溫度檢測產(chǎn)生誤差。

濕度傳感器與溫度傳感器原理相似，使用了濕敏電阻或其他濕敏元件。而無人機帶來的氣流，將改變流過濕敏元件的氣體流量，在單位時間內(nèi)，附著在濕敏元件上的水也會相應(yīng)變化，影響濕度的檢測。

2.2 氣體濃度傳感器

目前常用的氣體傳感器是先進行采集，采集到一定量的樣本氣體，再通過對采集到的樣本進行電化學(xué)性質(zhì)分析，來獲取樣本中的特定氣體含量，進而檢測出環(huán)境中氣體濃度[15]。這種方法易受環(huán)境溫度濕度變化的干擾，針對這一問題許多傳感器采用了溫度濕度補償，然后再用高純度的標(biāo)準(zhǔn)氣體進行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，因此性能更穩(wěn)定，誤差較小。但當(dāng)溫度濕度的檢測因為受到流場影響出現(xiàn)誤差時，就會影響到對氣體濃度的補償，給測量帶來了誤差。

圖12 流場對氣體傳感器影響示意圖

2.3 顆粒物傳感器

隨著霧霾問題的關(guān)注不斷提高，對大氣顆粒物的檢測應(yīng)用的越來越多。對大氣顆粒物的實時檢測主要是通過對周圍環(huán)境氣體進行采樣，利用顆粒物的光學(xué)特性，對樣本進行分析[16]。在樣本的采集中，傳感器通過一個風(fēng)扇，將周圍氣體以及其中的顆粒物吸入傳感器作為樣本，對樣本進行光電特性分析，求得顆粒物含量的大小。但當(dāng)傳感器處于變化的流場中，顆粒物與氣體慣性不同，流動速度的變化會使采集到的樣本中顆粒物的含量與真實值不一致，帶來測量誤差。

3 對于多旋翼無人機氣象探測的優(yōu)化建議與對比實驗

3.1 優(yōu)化建議

通過以上的分析，我們發(fā)現(xiàn)，通過在多旋翼無人機平臺上加裝大氣探測設(shè)備的方式進行氣象探測，有其他方式無法取代的優(yōu)勢，但同時，無人機本身造成的流場變化對傳感器的影響也不得不考慮在內(nèi)。所以，在實際運用中，在考慮無人機平衡保證飛行安全的同時，要尋找一塊與在地面固定環(huán)境相似的，即流場相對穩(wěn)定的區(qū)域。結(jié)合以下方法，可以明顯改善測量精度：

1)根據(jù)需要選用旋翼數(shù)多，相鄰旋翼間距較大的無人機。根據(jù)上述分析，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)旋翼數(shù)增多，相鄰旋翼間距增大的時候，無人機機身距離旋翼距離較遠，受影響程度小，更適合探測儀器的測量。

2)根據(jù)無人機外形，將探測儀器加裝在無人機中心軸，高度位于旋翼所在平面處為宜。根據(jù)以上分析，在無人機中心軸氣體流動較為平緩，同時，旋翼旋轉(zhuǎn)時，從上方很大范圍內(nèi)吸入氣體，向下高速噴出，總體上看，上方氣流強度要小于下方。但同時，將設(shè)備裝在無人機上方會提升整體的重心，使穩(wěn)定性下降。所以大氣探測設(shè)備安裝位置應(yīng)在旋翼所在平面附近，對于重量較輕、精度需要較高的，可放在無人機上方，重量較大、精度要求不高的可放在無人機下方。

3)結(jié)合探測儀器設(shè)計布局，調(diào)整擺放方向。為了保證儀器內(nèi)氣體與外界環(huán)境氣體的交換，許多探測設(shè)備在某些位置設(shè)計了通氣孔，在無人機上加裝儀器時，可根據(jù)無人機上氣體流動方向和大小，調(diào)整儀器方向，保證儀器內(nèi)外流通，兼顧氣體流速大小。

3.2 對比實驗

根據(jù)利用無人機進行大氣探測的特點和需要，可以搭載在無人機上進行探測的必須是具有實時探測能力，同時擁有儲存數(shù)據(jù)的功能，或根據(jù)需要選擇可以實時傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備。此外，設(shè)備響應(yīng)速度要快，能夠進行連續(xù)測量，采集方式必須采用自動采集，不能通過人工捕集等手段。基于以上要求，這里選擇了一款多參數(shù)大氣環(huán)境檢測儀進行實驗，將對溫度、濕度、NO 、PM2.5等參數(shù)進行檢測。

實驗步驟：

1)將多參數(shù)大氣環(huán)境測試儀安裝在無人機下方(首先選用的無人機為軸距為450 mm的四旋翼無人機)。

2)打開測試儀，讓其開始檢測，此時未啟動無人機，無人機周圍流場可認(rèn)為沒有變化，檢測結(jié)果為真實值。

3)啟動無人機，讓無人機在同一高度、位置上保持懸停。

4)關(guān)閉無人機，再次記錄無人機未啟動狀態(tài)下的各參數(shù)值。

5)根據(jù)優(yōu)化建議更換無人機平臺(使用大疆S1000八旋翼無人機)，改變測試儀放置位置，重復(fù)以上2～4步。使用無人機參數(shù)及測試儀放置位置對比見表1。

表1 優(yōu)化前后差異對比

6)卸載數(shù)據(jù)，分析結(jié)果。

圖13 實驗優(yōu)化前后對比

4 實驗結(jié)果與分析

經(jīng)過以上對比實驗，卸載測試儀上數(shù)據(jù)，將兩次實驗數(shù)據(jù)整理，繪制折線圖，如圖14、15所示。

圖14 改進前測量結(jié)果

圖15 改進后測量結(jié)果

通過對比改進前后的實驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：

1)在無人機啟動之前，不存在旋翼產(chǎn)生的氣流影響，此時測量結(jié)果穩(wěn)定，優(yōu)化前后測量結(jié)果基本保持一致，可見兩次實驗進行時，環(huán)境并沒有發(fā)生很大的變化。

2)無人機啟動后，可以看出在優(yōu)化前，測得溫度先略有上升，很快開始持續(xù)降低，降低到一定程度后趨于平緩，而當(dāng)旋翼停止旋轉(zhuǎn)后，測得溫度值逐漸回升；優(yōu)化后，溫度變化趨勢與優(yōu)化前基本一致，但變化的幅度明顯減小。

3)無人機啟動后，在優(yōu)化前，測得濕度先有所下降，然后開始持續(xù)上升，上升到一定程度后趨于平緩；而當(dāng)旋翼停止旋轉(zhuǎn)后，測得濕度值逐漸下降；優(yōu)化后，濕度變化趨勢與優(yōu)化前基本一致，不過幅度明顯減小。

4)以NO為例的氣體濃度檢測值在無人機啟動后，優(yōu)化之前，測得濃度值略有上升，當(dāng)旋翼停止旋轉(zhuǎn)后，測得濃度跟無人機啟動前相比，濃度略有下降；而優(yōu)化后，NO濃度值變化不大。

5)以PM2.5為例的顆粒物含量檢測值在無人機啟動后， 優(yōu)化前后的檢測值相差不大，但可以看出，優(yōu)化后在無人機啟動之后，波動的峰值會有所降低。

通過以上結(jié)果的對比分析，可以發(fā)現(xiàn)，通過改變無人機平臺，將測試儀放置在影響較小的位置，可以使測試儀對溫度與濕度的影響明顯減??；減小氣體濃度及顆粒物的檢測結(jié)果的波動，準(zhǔn)確度明顯提升。

5 總結(jié)與展望

本文面向目前新興的利用多旋翼無人機進行氣象探測的方法，針對此方法中由于無人機流場對探測精度產(chǎn)生影響的問題，著重分析了多旋翼無人機在飛行時的流場特點；同時，結(jié)合大氣傳感器的設(shè)計原理，分析造成測量誤差的原因；針對這一問題，在現(xiàn)有條件基礎(chǔ)上，提出了可以減輕影響的方法，即，選用更多旋翼的無人機平臺，相同旋翼的無人機，選用旋翼之間距離較大的無人機，此外，儀器安裝位置要靠近在機身中心橢圓錐形的相對靜風(fēng)區(qū)；最后對多旋翼無人機加裝的探測儀器的設(shè)計提出了一些建議。通過實驗驗證了優(yōu)化的效果，可以明顯減小測量的誤差。

作為一種新型的大氣探測技術(shù)，利用多旋翼無人機進行大氣探測還有很多技術(shù)需要完善，比如文中提到的如何去減少氣流干擾的影響，在今后的研究中，可以在以下方面進行進一步優(yōu)化：

1)改變傳統(tǒng)的探測設(shè)備外形，采用流線型外形，在氣流速度較大的地方可以減輕氣流與儀器表面的碰撞，減少亂流，減輕激烈的碰撞帶來的無人機震動，提高飛行安全性。

2)結(jié)合多旋翼無人機流場特點和儀器外形設(shè)計，將無人機產(chǎn)生的有較明顯流動規(guī)律的區(qū)域氣流進行整流，以獲得近似的定常流，進行氣體的更新，加速探測設(shè)備中的氣體交換。

3)對多旋翼無人機正常飛行時旋翼轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的流場進行分析，對此時探測儀器進出入氣流速度進行估算求解，在儀器分析探測結(jié)果時，將氣流流速的影響加入進行定標(biāo)，或直接接受無人機轉(zhuǎn)速信息，對結(jié)果進行補償。

4)優(yōu)化探測設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造，將各傳感器和主要發(fā)熱部分進行合理布局，提高其準(zhǔn)確度。

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