長方形多旋翼無人機設(shè)計與研究＊

虞君錨，伍玲密，王 浩

（浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州325016）

1 國內(nèi)外同類產(chǎn)品研究工作現(xiàn)狀

國內(nèi)外同類產(chǎn)品的研究都處于起步階段。Drone4Agro 是荷蘭的一家初創(chuàng)公司，致力于農(nóng)業(yè)無人機的各種應(yīng)用，例如噴霧、施肥、播種等，該公司生產(chǎn)5～100 L 有效載荷的長方形無人機。該公司官網(wǎng)介紹，Drone4Agro 還可以根據(jù)客戶需求進(jìn)行定制，比如用于大表面噴漆的噴漆無人機、用于攜帶受傷人員的疏散無人機（目前正在進(jìn)行一項100 kg 有效載荷運輸無人機的項目），該公司的長方形無人機具有長寬比大的特點?？傊?，國外長方形多旋翼無人機研究正處于初級階段。

國內(nèi)同類產(chǎn)品的研究：目前國內(nèi)大部分多軸都是三角形、正方形、正六邊形、正八邊形機架布局。國內(nèi)很少有企業(yè)研究長方形機架無人機，也很少有長方形機架無人機的論文等資料。在國內(nèi)對長方形機架無人機的研究是比較少的。很多企業(yè)對長方形無人機的飛行穩(wěn)定性不自信，對它的行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域迷茫，對長方形無人機方向靈活性有所懷疑，對長方形無人機的長條形體積有所擔(dān)憂。國內(nèi)小鵬匯天公司研制出了首款超科幻雙人智能電動飛行器——旅航者X2，其機身長度總體呈長方形，但是長寬比較小，在一定程度上提高了無人機的通過性。其實長方形無人機除了上面提到的應(yīng)用外，還有很多創(chuàng)意的應(yīng)用，如制成飛行地毯、飛行舞龍等等。

2 本項目主要研究方案——氣動力布局

如圖1 所示為常見多旋翼無人機的氣動力布局形式的幾種布局。2 軸多旋翼無人機旋翼可以傾斜改變升力方向，飛行原理和控制策略復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，工作面不寬，但是經(jīng)濟(jì)性比較好，續(xù)航時間長。3 軸多旋翼無人機重心布局不易平衡，飛行原理和控制策略復(fù)雜，飛機受力沒有軸對稱，從而可能導(dǎo)致飛機飛行不穩(wěn)定。4 旋翼和6 旋翼無人機結(jié)構(gòu)簡單，操控方便，穩(wěn)定性強，被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域，包括警用執(zhí)法、農(nóng)業(yè)植保、應(yīng)急救援、電力巡檢、物流運輸?shù)确矫鎇1]。4、6 軸多旋翼無人機重心穩(wěn)定，可以向中心靠攏，對穩(wěn)軸有很多個[2]。但是，傳統(tǒng)4 旋翼無人機和6 旋翼無人機存在作業(yè)面狹窄、負(fù)載小等缺點，不適合大面積作業(yè)和運輸貨物。

圖1 常見多旋翼無人機氣動力布局

長方形機身可以有效增大飛機載重質(zhì)量和工作寬度面。氣動力布局的改變，會影響飛機的飛行原理。本項目氣動力布局形式如圖2 所示，當(dāng)電機1、2、3、4 的轉(zhuǎn)速大于電機5、6、7、8 的轉(zhuǎn)速時，無人機會向后飛行；當(dāng)電機1、2、3、4 的轉(zhuǎn)速小于電機5、6、7、8 的轉(zhuǎn)速時，無人機會向前飛行。當(dāng)電機1、2、5、6的轉(zhuǎn)速大于電機3、4、7、8 的轉(zhuǎn)速時，無人機會向右飛行；當(dāng)電機1、2、5、6 的轉(zhuǎn)速小于電機3、4、7、8的轉(zhuǎn)速時，無人機會向左飛行。當(dāng)電機1、2、7、8 轉(zhuǎn)速小于電機3、4、5、6 時，無人機順序針偏航；當(dāng)電機1、2、7、8 轉(zhuǎn)速大于電機3、4、5、6 時，無人機逆時針偏航。由于橫向方向的長度始終大于縱向方向的長度，將會引起飛機飛行時的不穩(wěn)定性，橫向方向橫滾角變化一點，飛機橫向擺副將會被放大，縱向方向距離比較短，容易翻滾。當(dāng)然以上所有設(shè)想都將得到實踐的驗證。長方形無人機保持穩(wěn)定飛行是最基本的要求。長方形無人機的對稱軸只有2 條，這與普通的4 軸和6 軸多旋翼不同（對稱軸很多條）。長方形無人機偏航、俯仰、滾轉(zhuǎn)動作明顯，易于肉眼觀察和遠(yuǎn)處識別。

圖2 本項目氣動力布局形式

3 長方形多旋翼無人機任務(wù)載荷與應(yīng)用

長方形多旋翼無人機起落架設(shè)計示意圖如圖3所示。

圖3 起落架設(shè)計示意圖

長方形多旋翼無人機起落架下面有很大的空間，可以裝載很多任務(wù)載荷，如多種類型攝像機、探照燈、喊話器、氣體分析檢測儀、拋投器、取物手抓等等，大空間也適合搬運東西（長方形物流快遞）。這樣一個長條形空間，拓寬了多旋翼無人機的行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，但同時也提高了無人機飛行控制的難度。

3.1 長方形多旋翼無人機在消防應(yīng)急救援中的應(yīng)用

長方形無人機可以攜帶多個拋投箱，高效地完成物資拋投工作。長方形的形狀可以依次安裝三四個拋投箱，每個拋投器中可以攜帶質(zhì)量差不多的急救物質(zhì)?？梢婇L方形的機架更加適合安裝矩形任務(wù)載荷，進(jìn)行拋投時，可以按照對稱的順序，保證無人機重心的穩(wěn)定[3]。長方形多旋翼無人機在消防應(yīng)急救援中的應(yīng)用如圖4 所示。

圖4 長方形多旋翼無人機在消防應(yīng)急救援中的應(yīng)用

3.2 長方形多旋翼無人機在植保與噴涂中的應(yīng)用

長方形多旋翼無人機橫向長度比較長，上面可以安裝很多電池、發(fā)電機等動力裝置，大大提高了無人機的續(xù)航能力。比如可以安裝一個增程器，增程器包含一個與發(fā)電機相連的二沖程發(fā)動機。電池更換操作將被燃料箱的簡單補給操作所取代，該解決方案將極大增加了農(nóng)用無人機的續(xù)航能力。長方形多旋翼無人機在植保與噴涂領(lǐng)域的應(yīng)用如圖5 所示。

圖5 長方形多旋翼無人機在植保與噴涂領(lǐng)域的應(yīng)用

3.3 長方形多旋翼無人機在物流領(lǐng)域的應(yīng)用

長方形多旋翼無人機可以非常輕松地進(jìn)行橫向連接和縱向連接。橫向拼接無人機可以運輸2～3 m 大件長條形物資，如長木條、長的包裹快遞或者傷員?？v向拼接無人機可以運輸1～1.5 m 長的塊狀物資，如大米、礦泉水、藥品、救生圈，大大提高了無人機運輸效率。長方形多旋翼無人機在物流領(lǐng)域的應(yīng)用如圖6所示。

圖6 長方形多旋翼無人機在物流領(lǐng)域的應(yīng)用

4 無人機受力分析與運動方式

長方形無人機受力分析如圖7 所示。

圖7 長方形無人機受力分析

滾轉(zhuǎn)力矩T1=f1×b+f2×c+f7×c+f8×b－f3×c－f4×b－f5×b－f6×c。

俯仰力矩T2=f1×a+f2×a+f3×a+f4×a－f5×a－f6×a－f7×a－f8×a。

偏航力矩T3=f1×k1+f3×k3+f5×k5+f7×k7－f2×k2－f4×k4－f6×k6－f8×k8。

總的升力L=f1+f2+f3+f4+f5+f6+f7+f8=m×c1=m×（a+g）。

其中，k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7、k8為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，a、b、c為各電機到飛機中心的距離。

根據(jù)公式可知，1、4、5、8 號電機離無人機中心的橫向力臂比較大，長方形無人機滾轉(zhuǎn)力矩十分容易實現(xiàn)，橫滾角十分容易變大。在飛行過程中，需要將橫滾角保持在一定的范圍之內(nèi)，讓飛機平穩(wěn)飛行。當(dāng)長方形多旋翼無人機進(jìn)行物流運輸時，橫滾運動比較合適。1—8 號電機離無人機中心的縱向力臂比較小，但是都相等，長方形無人機俯仰力矩十分均勻。當(dāng)長方形多旋翼無人機進(jìn)行俯仰運動時，可以進(jìn)行大面積的作業(yè)，如植保、噴霧消毒、外墻噴涂等工作。

5 無人機的攜帶與拆裝

針對長條形大質(zhì)量的緊急物資，如果可以將多架長方形無人機線性連接在一起，將會大大提高運輸?shù)妮d重。同時在設(shè)計的時候充分考慮了無人機的可攜帶性，采用快接接頭，同時接上飛機的機械和電線，卡扣式設(shè)計。將8 軸長方形無人機分成3 個部分，包括2個4 軸無機人、1 個中間連桿電池架，完美解決攜帶問題。多架長方形8 軸無機可以一字連接在一起，適合長條形物緊急物資的運輸，有效提高運輸體積和載重。

6 本項目創(chuàng)新點

傳統(tǒng)4 旋翼無人機和6 旋翼無人機存在作業(yè)面狹窄、負(fù)載小等缺點，不適合大面積作業(yè)和物流。特別是對作業(yè)寬度有要求場所，如大面積植保和高樓外墻噴涂場所。長方形可拼接多旋翼無人機可根據(jù)客戶需求進(jìn)行定制無人機，拼接長度越長，長寬比越大，工作面就越寬，工作效率就越高，載重能力就越強；可以廣泛應(yīng)用于消防與救援領(lǐng)域，例如長方形消防無人機可以攜帶多枚滅火彈，長方形救援無人機可以攜帶多個空投箱；也可以用于搬運受傷人員，任務(wù)載荷可以成線性對稱排列，投放時也遵循對稱順序。長方形無人機拼接和拆裝示意圖如圖8 所示。

圖8 長方形無人機拼接和拆裝示意圖

7 結(jié)束語

本項目設(shè)計并制造了一架長方形機架的多旋翼無人機，分析了長方形無人機的飛行受力情況和控制難點，并探索了其在物流、救援、消防滅火等行業(yè)中的應(yīng)用。另外總結(jié)了長方形多旋翼無人機優(yōu)點和不足，為長方形機架多旋翼無人機的研究指明了方向。