實用防雨型多旋翼無人機設計＊

徐宏慶，何啟瑞，鄭潘璇

（正德職業(yè)技術學院，江蘇 南京 211100）

1 系統(tǒng)設計思想

本次設計的中心思想是完成多旋翼無人機的防雨設計。因此，多旋翼無人機的基本架構沒有多大變化，依然采用傳統(tǒng)的6旋翼布局。雨天時，常規(guī)的多旋翼無人機裸露在外的電機和中心板以及電調(diào)、電池以及飛控和接收機、GPS的部件不能進水，需要對上述部位進行防雨設計。設計的中心思想是把上述部位用設計好的防雨罩罩上，而傳統(tǒng)的6旋翼無人機電機布局在機臂末端，而且電機上安裝了螺旋槳，罩上防雨罩就不能工作，因此設計上借鑒了直升機的尾旋翼設計結(jié)構，螺旋槳不直接由電機驅(qū)動，通過同軸齒輪和傳輸皮帶與電機連接，通過皮帶實現(xiàn)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)。這樣就把電機的安裝位置移至中心板，只要對中心板進行相應處理即可達到預計效果，大大降低了設計的難度。

2 多旋翼無人機的設計

2.1 機體上下底板設計

常規(guī)結(jié)構的6旋翼無人機機體部分主要安裝飛控、GPS、電池、遙控接收機等部件。需把電機和電調(diào)等部件安裝并固定在底板上。并且由于電機高速旋轉(zhuǎn)，需要給電機加裝固定裝置，所有機體上下蓋板都需要重新進行設計。

本方案設計思想：把電機、電調(diào)、飛控、接收機等部件都放置在上下底板之間，上頂板上面主要安裝電池、GPS、安裝防雨罩。多旋翼無人機上、下底板設計具體如圖1所示。

圖1 多旋翼無人機上、下底板設計

上底板采用了碳纖維板，復合材料的使用大大減輕了飛機的自重，同時耐用性也大大增強。上底板是直徑為110 mm的圓形，中心圓孔的直徑為20 mm，用于安裝GPS系統(tǒng)與飛控的連接線。多旋翼無人機機臂安裝在6個長方形的外突矩形處，具體尺寸是15 mm×40 mm，均等分布。6個矩形的上方各開了2個矩形孔，這是對應的6個電機的卡位固定位置，主要是保證電機能夠穩(wěn)穩(wěn)固定在上下底板之間正常穩(wěn)定地工作。

下底板上主要安放電機、電調(diào)、飛控、接收機等部件。下底板也采用了碳纖維板材質(zhì)，與上底板大小一樣，底板上的6個梯形開孔在足夠強度基礎上進行減重，同時也達到較好的散熱效果，中心園上安裝著飛控，電調(diào)和電機均勻地分布在6個機臂之間，也保證了飛機中心的平衡。

2.2 電機底座設計

本設計方案中，電機也在下底板上，考慮到電機傳動機構設計，電機選用了臥式放置方式，電機轉(zhuǎn)達軸朝外。本設計選用的電機是朗宇電機，根據(jù)電機的具體尺寸設計了電機底座，如圖2所示。

圖2 電機底座

該底座采用的是碳纖維板，設計尺寸為40 mm×40 mm的正方形，上面4個橢圓形開孔是電機安裝孔，上、下兩邊各有2個突出的矩形，安裝時卡在上下底板之間，設計時上下底板已預留相應的空位，保證電機高速、穩(wěn)定轉(zhuǎn)動。

2.3 機臂組件設計

本方案設計的是6旋翼無人機，機臂采用的是碳管，機臂的長度為197.5 mm，機臂的外徑為10 mm，內(nèi)徑為9 mm，具體如圖3所示。

圖3 多旋翼無人機機臂

將電機移至上下底板的中間，電機與螺旋槳之間需通過齒輪和傳送帶進行能量傳遞，需要在機臂頂端安裝螺旋槳，因此需要設計1個安裝螺旋槳的組件，用于安裝螺旋槳并且能夠安裝在機臂上，具體設計如圖4所示。

圖4 安裝螺旋槳組件

螺旋槳座組采用的是ABS塑料，原型機設計時采用3D打印技術實現(xiàn)，具體尺寸是57 mm×29 mm×29 mm。兩側(cè)伸出來的耳朵尺寸為25 mm×10 mm×6 mm，用螺絲將其與機臂夾緊固定。后面空出的位置用來放置螺旋槳傳動齒輪。齒輪采用不銹鋼，具體尺寸是圓片半徑10.5 mm，內(nèi)齒輪模數(shù)0.6，齒數(shù)28個，面寬8 mm，標稱軸直徑5 mm。

2.4 防雨罩設計

防雨罩是本設計的一個重要組成部分，主題思想是把6旋翼無人機的機體部分用防雨罩罩住，從而起到防雨效果，根據(jù)上下底板設計的尺寸設計的防雨罩如圖5所示。

圖5 防雨罩設計

考慮到防雨罩加裝在多旋翼無人機上，為盡可能減輕質(zhì)量，防雨罩采用玻璃鋼，具體為半徑127 mm的圓形，其上部的圓弧面頂半徑為45 mm，該圓弧頂處可安裝GPS，防雨罩的底部有1塊底板，完全把多旋翼無人機的上下底板罩在防雨罩內(nèi)部，實現(xiàn)了防雨功能。

2.5 電機傳動裝置設計

螺旋槳與電機的傳動與傳統(tǒng)裝置不一樣，螺旋槳轉(zhuǎn)動軸下方安裝了齒輪，電機采取臥式放置，電機的轉(zhuǎn)動軸上也安裝了齒輪，兩個齒輪之間通過傳送帶連接，實現(xiàn)電機帶動旋槳轉(zhuǎn)動，傳送帶放置在機臂碳管內(nèi)，如圖6所示。

圖6 電機傳送裝置

以上是本次設計的主體零部件部分，飛機的整體安裝如圖7所示。經(jīng)過測試，能夠滿足常規(guī)教學要求，也實現(xiàn)了防雨要求。

圖7 多旋翼飛機整機

3 結(jié)論

本設計根據(jù)實際，結(jié)合綜合因素，充分考慮了設計需求，實現(xiàn)了多旋翼無人機防雨功能，并已經(jīng)應用到了實際教學中，效果良好。后期需要進一步細化，注意細節(jié)的處理，確保無人機飛行的安全性、穩(wěn)定性，可以在此基礎上增加一些功能，比如在該無人機底部增加機械爪，實現(xiàn)多旋翼無人機抓取任務，可以作為比賽訓練機使用。