一種混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

王 鶴 肖 巖 唐鑫祥 薛慧芳

（北方民族大學(xué)，寧夏 銀川750000）

目前市面上無(wú)人機(jī)主要分為電動(dòng)型無(wú)人機(jī)和油動(dòng)型無(wú)人機(jī)，伴隨著科技進(jìn)步和國(guó)家大力鼓勵(lì)創(chuàng)新的背景下，混合動(dòng)力型無(wú)人機(jī)變成了研究熱門(mén)。混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)結(jié)合了電動(dòng)型無(wú)人機(jī)的精準(zhǔn)控制、轉(zhuǎn)速高、能源清潔等優(yōu)點(diǎn)以及油動(dòng)無(wú)人機(jī)負(fù)載大、滯空時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型實(shí)用的機(jī)型。

盡管多旋翼無(wú)人機(jī)的技術(shù)在一定程上已趨于成熟，但在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中還是會(huì)暴露出一些問(wèn)題。多旋翼無(wú)人機(jī)是通過(guò)螺旋槳旋轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的升力來(lái)承擔(dān)負(fù)載重量的，這種飛行方式的效率是低于固定翼飛機(jī)的翼載方式。在攜帶同等重量的負(fù)載時(shí)，多旋翼無(wú)人機(jī)的耗能要高于固定翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人直升機(jī)。目前鋰電池是市面上絕大部分消費(fèi)級(jí)和工業(yè)級(jí)多旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力能源，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)滯空大負(fù)載的應(yīng)用需求。

基于此，本文設(shè)計(jì)一種油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于研究電動(dòng)和油動(dòng)相結(jié)合的一種無(wú)人機(jī)飛行控制方案，改善當(dāng)前各類(lèi)型無(wú)人機(jī)的性能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較

油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)主要分為三種：串聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)、并聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)、混聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)。

串聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)：螺旋槳與電動(dòng)機(jī)單獨(dú)連接給無(wú)人機(jī)提供主要的升力，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)飛機(jī)平穩(wěn)飛行，同時(shí)還能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)給電池供電機(jī)械和電氣系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)換造成大量的能量損失。

并聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)：該系統(tǒng)具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率。但因?yàn)轱w機(jī)螺旋槳驅(qū)動(dòng)軸與發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直接耦合在了一起, 所以這種設(shè)計(jì)可能會(huì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)不能在最佳工況點(diǎn)附近工作，能量效率會(huì)有所限制。

聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)：將串聯(lián)式與并聯(lián)式一定程度的結(jié)合在一起就形成了混聯(lián)式。發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的機(jī)械能被分成兩部分，一部分傳遞給電機(jī)，另一部分傳給發(fā)電機(jī)之后轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)到電池中。但是增加了機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，從而使得其整體重量要遠(yuǎn)高于串聯(lián)式和并聯(lián)式。

設(shè)計(jì)考慮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能做到輕量化、能量使用效率高、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔有效。因此，本文選擇并聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)為基礎(chǔ)的解耦并列式油電混合模式作為動(dòng)力系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

如圖1 所示，該系統(tǒng)是基于電動(dòng)六旋翼無(wú)人機(jī)的硬件框架進(jìn)行設(shè)計(jì)和改裝的機(jī)型。頂端加裝油動(dòng)內(nèi)燃機(jī)和主螺旋槳，為其提供主要?jiǎng)恿?。發(fā)動(dòng)機(jī)利用油箱供應(yīng)燃油，利用飛控發(fā)出的控制信號(hào)控制內(nèi)燃機(jī)的開(kāi)車(chē)和剎車(chē)，電池用于給其它旋翼進(jìn)行供能，利用飛控對(duì)電調(diào)進(jìn)行控制進(jìn)而控制飛行電機(jī)。由于單純?cè)诎l(fā)動(dòng)機(jī)上安裝一個(gè)螺旋槳作為升力旋翼也會(huì)使得無(wú)人機(jī)在飛行時(shí)產(chǎn)生自旋的現(xiàn)象。因此，本文提出一種設(shè)計(jì)方案，以傳統(tǒng)六旋翼無(wú)人機(jī)作為平臺(tái)，將其中一對(duì)螺旋槳作為平衡升力旋翼所產(chǎn)生扭矩的反扭矩旋翼，余下四個(gè)旋翼作為輔助旋翼。如圖1所示，將六旋翼無(wú)人機(jī)的A、D 兩個(gè)旋翼作為平衡旋翼，飛行時(shí)與主旋翼作為相反方向，平衡加裝的主旋翼所產(chǎn)生的扭矩，剩下B、C、E、F 四個(gè)旋翼作為姿態(tài)調(diào)整。

圖1 無(wú)人機(jī)旋翼示意圖

3 系統(tǒng)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的組建

因?yàn)楸疚膶?shí)驗(yàn)所需要搭建的多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)為六旋翼無(wú)人機(jī)，另外考慮到還要加裝發(fā)動(dòng)機(jī)等輔助實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及后期要開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所以使用F550 機(jī)架。

電機(jī)和電調(diào)是多旋翼無(wú)人機(jī)的主要?jiǎng)恿敵鲈O(shè)備。多旋翼大多使用的外轉(zhuǎn)子電機(jī)，因?yàn)橥廪D(zhuǎn)子電機(jī)的磁鋼是做成片狀貼在外殼上，相比內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)來(lái)說(shuō)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要大很多。因此本文所搭建的六旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)選用了銀燕2216 直流無(wú)刷外轉(zhuǎn)子電機(jī)。

電調(diào)最主要的作用是通過(guò)改變PWM 信號(hào)的占空比來(lái)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行改變，電調(diào)起到了對(duì)信號(hào)的放大作用。本文所搭建的六旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)的電調(diào)選用XRotor-20A-亞太版。

飛控是用來(lái)控制無(wú)人機(jī)本身的姿態(tài)、位置、路徑的飛行控制系統(tǒng)。本文所搭建的六旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)選擇PX4 自駕儀系列中的Pixhawk4 作為飛控。

數(shù)傳是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，主要作用是幫助地面操作人員實(shí)時(shí)的對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)進(jìn)行感知與定位等。機(jī)載收發(fā)模塊安裝在無(wú)人機(jī)機(jī)體上，地面收發(fā)模塊安裝在遙控設(shè)備上。本文選擇3DR 公司推出的3DR Radio Telemetry 模塊，遙控器和接收機(jī)是無(wú)人機(jī)遙控鏈路的重要組成部分，它們的作用是把地面操作人員的控制命令傳到自駕儀上，通常遙控器上提供給操作人員一些自定義的設(shè)置選項(xiàng)，比如油門(mén)的正反、搖桿靈敏度等。本文所搭建的六旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)選擇樂(lè)迪At9s 作為遙控器，其有九個(gè)通道，能夠滿足實(shí)驗(yàn)需求。接收機(jī)選擇與遙控器適配的樂(lè)迪R9DS 接收機(jī)電池的功能是為動(dòng)力系統(tǒng)提供能量。本文所搭建的六旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)的電池選5300mAh 鋰電池，它由三節(jié)電芯組成，額定電壓11.1V。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

無(wú)人機(jī)通常選擇活塞式燃油發(fā)動(dòng)機(jī)?；钊饺加桶l(fā)動(dòng)機(jī)一般分為四沖程和二沖程，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)常用于大型無(wú)人機(jī)，雖然燃油效率高但其體積較為龐大，重量較重，而且成本較高，而二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)則結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、低成本，在中小型無(wú)人機(jī)上被普遍使用。因此本設(shè)計(jì)選擇了OS 公司生產(chǎn)的MAX-55HZ Hyper 發(fā)動(dòng)機(jī)二沖程活塞燃油發(fā)動(dòng)機(jī)。具體參數(shù)如表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)模塊的硬件設(shè)計(jì)如圖2 所示。圖中1 為升力旋翼，2為飛輪，3 為油箱，4 為油管，5 為回油管，6 為接收器，7 為降壓模塊，8 為電源線，9 為排氣筒，10 為油門(mén)舵機(jī)，11 為油門(mén)連桿，12 為啟動(dòng)按鈕，13 為啟動(dòng)控制裝置；發(fā)動(dòng)機(jī)底座包括兩塊20cm×15cm 的底板，兩塊底板間的高度為5cm，并且?jiàn)A層中放置了啟動(dòng)器電池以及控制線。其中，飛輪的設(shè)置是為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。排氣筒的設(shè)置有兩個(gè)作用，一方面是為了更高效率的排出廢棄燃料，另一方面是為了增加氣缸內(nèi)的壓力。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)模塊硬件

5 無(wú)人機(jī)電動(dòng)平臺(tái)控制

電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制實(shí)際上是通過(guò)改變由主FMU 發(fā)出的PWM信號(hào)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在整個(gè)PWM 控制中，一般使用高電平時(shí)間1000us 到2000us 為有效信號(hào)區(qū)間，其中1000us 為最低輸出，2000us 為最高輸出，停轉(zhuǎn)信號(hào)設(shè)定為900us。

在正常情況下PWM 的輸出過(guò)程首先通過(guò)飛控姿態(tài)解算部分得到姿態(tài)的控制量，然后通過(guò)px4io.cpp 程序?qū)⒆藨B(tài)控制量發(fā)送到IO 串口，由IO 串口來(lái)對(duì)姿態(tài)控制量進(jìn)行讀?。恢笳{(diào)用systemlib 部分進(jìn)行混合控制，把姿態(tài)控制量轉(zhuǎn)換為電機(jī)控制量；同樣還是在混合控制部分中，使用mixer_tick()函數(shù)將電機(jī)控制量轉(zhuǎn)換為PWM 控制量，緊接著再調(diào)用up_pwm_servo_set 函數(shù)對(duì)PWM 寄存器進(jìn)行設(shè)置；最終完成PWM 的輸出。

6 發(fā)動(dòng)機(jī)的控制

本文設(shè)計(jì)油門(mén)舵機(jī)與無(wú)人機(jī)共用一塊電池供電。設(shè)計(jì)一個(gè)降壓電路來(lái)對(duì)接收機(jī)供電。接收機(jī)負(fù)責(zé)接收遙控器的控制信號(hào)對(duì)油門(mén)舵機(jī)進(jìn)行控制，油門(mén)舵機(jī)通過(guò)油門(mén)連桿與發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，利用節(jié)氣門(mén)的開(kāi)合程度的改變來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，進(jìn)而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。只要能夠控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)升力旋翼轉(zhuǎn)速的控制，如圖3 所示，使用油門(mén)連桿將油門(mén)舵機(jī)連接到化油器，上通過(guò)舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)行程控制發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的供油量。此外，在油門(mén)連桿的一端還加裝彈簧，用來(lái)輔助舵機(jī)能夠自動(dòng)回中，保證發(fā)動(dòng)機(jī)不輕易熄火。再將油門(mén)舵機(jī)通過(guò)接收機(jī)與遙控器連接，并在遙控器中選定一路可以自動(dòng)回中的通道。

圖3 油門(mén)控制系統(tǒng)

7 實(shí)物圖展示

圖4 平臺(tái)實(shí)物圖

8 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種并聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)為基礎(chǔ)的解耦并列式油電混合模式的無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)作為無(wú)人機(jī)主旋翼，利用六軸無(wú)人機(jī)其中兩軸作為平衡主旋翼的平衡旋翼，利用剩余四只旋翼進(jìn)行姿態(tài)穩(wěn)定，通過(guò)二次發(fā)開(kāi)PX4 開(kāi)源飛控源碼，使其能夠?yàn)榛旌蟿?dòng)力無(wú)人機(jī)相關(guān)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展提供平臺(tái)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，該平臺(tái)符合開(kāi)發(fā)要求，并順利試飛，對(duì)今后更多相關(guān)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)，具有一定的推廣價(jià)值。