垂直起降矢量串列翼無人機(jī)的設(shè)計(jì)與制作

劉昭　李德寶

摘 要：民用無人機(jī)發(fā)展多年，充分應(yīng)用于物流，植保等領(lǐng)域。根據(jù)應(yīng)用特色和優(yōu)缺點(diǎn)，主要分為固定翼和多旋翼式。本文旨在設(shè)計(jì)一種混合翼無人機(jī)。解決城市起降空間狹窄，空中穩(wěn)定性要求高;旋翼機(jī)飛行效率低，巡航速度慢等問題，通過雙槳差速及舵面提高機(jī)動能力，調(diào)整飛控PID增強(qiáng)自穩(wěn)能力;各個系統(tǒng)模塊獨(dú)立，便于安裝維修。設(shè)計(jì)制作均采用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行，便于驗(yàn)證和修改。

關(guān)鍵詞：垂直起降;串列翼;模塊化安裝

0引言

無人機(jī)，英文全稱為Unmanned? Aerial Vehicle，即無人駕駛空中飛行器，通過無線電遙控設(shè)備或自帶的飛行控制裝置操控的無人飛機(jī)。一般由三部分組成，包括無人機(jī)主體、控制裝置及負(fù)載。若從機(jī)體結(jié)構(gòu)方向分類，可以把無人機(jī)分為固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)。固定翼無人機(jī)需要機(jī)翼提供充足的升力，因此一般機(jī)體寬度長度較大，機(jī)械結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，同樣也提高了對無人機(jī)操作者的要求。在旋翼無人機(jī)中 ，可以大致分為單旋翼無 人機(jī)和多旋翼無人機(jī)。單旋翼無人機(jī)就是我們平時所說的直升機(jī) ，而多旋翼無人機(jī)則包括四旋翼、六旋翼、八旋翼甚至更多旋翼的飛機(jī)。其中，四旋翼無人機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單，飛行穩(wěn)定二被廣泛應(yīng)用于民用的各個領(lǐng)域。對比來看，相比于固定翼無人機(jī)，多旋翼無人機(jī)具有起飛所需場地小，可低空飛行，工作穩(wěn)定，特別是可懸停的優(yōu)點(diǎn)。但仍存在不足，如能量效率低導(dǎo)致活動半徑小。

隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級，各行各業(yè)尤其是需要短途快速運(yùn)輸或空中作業(yè)的崗位，

如城市中交通不便導(dǎo)致原先點(diǎn)對點(diǎn)的快遞外賣效率低下，電力巡檢時，既需要快速巡航，查找問題，又需要對故障處拍攝等操作。因此迫切需要一種能具有固定翼飛行速度快工作半徑大的特點(diǎn)，兼顧多旋翼機(jī)起降簡單可懸停優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合型無人機(jī)

1 特點(diǎn)分析

該垂直起降無人機(jī)具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）將旋翼機(jī)與固定翼的特點(diǎn)相結(jié)合，起飛和降落時的起降方式與旋翼機(jī)相同，垂直進(jìn)行，占地空間小，無需跑道，在飛行途中采用固定翼水平飛行，巡航速度與固定翼接近，同時能量效率相比旋翼機(jī)大大提升。

（2）轉(zhuǎn)彎采用電機(jī)矢量控制，通過改變兩個電機(jī)的軸線指向操縱方向

（3）旋翼機(jī)模式與固定翼模式的切換，通過懸停時兩電機(jī)差速產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，完成切換。

（4）安裝飛行控制模塊，可通過主動調(diào)節(jié)來減少飛行過程中的晃動，保證飛行平穩(wěn)。

（5）桿件之間采用扎帶交叉捆扎，成本低，整體調(diào)節(jié)方便，易于靈活修改。

2 飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)身

如圖所示，該無人機(jī)采用凹凸翼2032cjc，，翼型相對厚度較小。縱向骨架為3mm和5mm碳纖維桿交替使用，提高抗彎扭強(qiáng)度。采用5mm厚度的巴爾沙木制作翼肋，減輕重量，同時給蒙皮提供較大的蒙皮附著面積。

2.2 動力裝置

電機(jī)臂為方型碳管，中部側(cè)向鉆孔保證機(jī)翼碳管穿過固定，兩端豎向切出方孔，固定傾轉(zhuǎn)舵機(jī)。舵機(jī)上裝有U形電機(jī)座搖臂，搖臂上設(shè)置四個電機(jī)安裝孔，以固定無刷電機(jī)。舵機(jī)行程為-45°～+45°

3 三維模型的制作

3.1部分零部件

3.2各個機(jī)體部件

（1）機(jī)翼

機(jī)翼凹凸翼2032cjc，平飛性能好1）機(jī)翼采用較大翼展，產(chǎn)生升力大，提高運(yùn)載量;2）光滑蒙皮，減小摩擦阻力，提高飛行速度和航程。

（2）電機(jī)座

因該型無人機(jī)采用半矢量控制，故電機(jī)固定于舵機(jī)搖臂上。機(jī)動靈活，反應(yīng)迅速。

（3）起落支撐結(jié)構(gòu)

起落架由數(shù)根斜置彈性纖維棒，可充分吸收降落時對機(jī)身造成的沖擊。同時，整體呈梯形的起落架，一定程度上防止飛機(jī)在起飛前因迎面方向的風(fēng)翻倒。

4 飛行控制原理：

4.1 動力系統(tǒng)的矢量偏航控制：該無人機(jī)采用雙螺旋槳反推提供升力平飛時，通過控制傾轉(zhuǎn)舵機(jī)使電機(jī)繞機(jī)體坐標(biāo)系的Z軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生偏航的力矩，減少了舵面的使用，降低機(jī)翼結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。

4.2旋翼機(jī)模式與固定翼模式切換：在垂直起飛至一定高度后，通過遙控器差速控制，使機(jī)翼上方螺旋槳轉(zhuǎn)速大于下方螺旋槳轉(zhuǎn)速。從而產(chǎn)生繞Y軸旋轉(zhuǎn)的俯仰力矩，降低迎角。

5 結(jié)語

本項(xiàng)目根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境需要及市場需求，制作出結(jié)合旋翼機(jī)和固定翼兩方特點(diǎn)的垂起固定翼無人機(jī)，同時采取串列翼布局，提高氣動效率，利用CAD技術(shù)實(shí)現(xiàn)無紙化設(shè)計(jì)制作，且便于裝配過程發(fā)現(xiàn)問題時及時修改。

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