四軸無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

熊贏超

(湖南碳谷新材料有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引言

四軸無(wú)人機(jī)作為一種新型的旋翼飛行器，是21世紀(jì)研究熱點(diǎn)之一。自20世紀(jì)90年代，伴隨著微型機(jī)電系統(tǒng)的日漸成熟，使得旋翼飛行器能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制。但由于當(dāng)時(shí)其技術(shù)處于初級(jí)階段，旋翼飛行器在使用過(guò)程中存在著噪聲大、巡航短、穩(wěn)定性差、控制不靈活等諸多問(wèn)題。隨著科技的發(fā)展，人們針對(duì)旋翼飛行器進(jìn)行了三維建模、控制算法優(yōu)化、非線性結(jié)構(gòu)計(jì)算等，終于在2005年左右制造出真正性能穩(wěn)定的多旋翼自動(dòng)無(wú)人機(jī)。

四軸無(wú)人機(jī)作為目前多旋翼無(wú)人機(jī)中最受關(guān)注的一種，最早出現(xiàn)在公眾視野中是在2009年印度電影《三傻》中。到2010年，法國(guó)公司Parrot發(fā)布了首款大眾使用的四軸無(wú)人機(jī)。該四軸無(wú)人機(jī)作為一個(gè)高科技產(chǎn)物，廣受好評(píng)并開(kāi)始廣泛進(jìn)入人類社會(huì)。2012年，VijayKumar教授在TED上做的關(guān)于四軸無(wú)人機(jī)演講反響熱烈，成為TED演講中觀看量最高的演講之一。自此，四軸無(wú)人機(jī)關(guān)注度迅速提升，成為人們的關(guān)注焦點(diǎn)。2013至2014年，四軸無(wú)人機(jī)開(kāi)始搭載無(wú)刷電機(jī)和高清相機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、清晰畫質(zhì)的傳輸。2014年至2015年，四軸無(wú)人機(jī)開(kāi)始搭配GPS跟隨、視覺(jué)懸停輔助等功能，正式進(jìn)入高清航拍無(wú)人機(jī)時(shí)代。2016年，yuneec公司推出的無(wú)人機(jī)通過(guò)前后雙攝像機(jī)和圖像識(shí)別的視覺(jué)跟隨實(shí)現(xiàn)自主避障。如今隨著技術(shù)的進(jìn)一步提升，四軸無(wú)人機(jī)正式進(jìn)入智能化無(wú)人機(jī)時(shí)代[1]。本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)航拍的輕型四軸無(wú)人機(jī)，實(shí)現(xiàn)了一種新型的輕型可交互四軸無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。

1 四軸無(wú)人機(jī)參數(shù)設(shè)定

本無(wú)人機(jī)主要是作為一種航拍工具，需要兼顧輕型、穩(wěn)定、續(xù)航能力強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)還應(yīng)滿足國(guó)家、行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，保障安全性。因此，確定的主要技術(shù)要求如表1所示。

表1 四軸無(wú)人機(jī)技術(shù)要求

2 四軸無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)設(shè)計(jì)

四軸無(wú)人機(jī)的飛行任務(wù)分為起飛、巡航、降落三個(gè)基礎(chǔ)階段，其中最為主要的便是巡航階段。根據(jù)使用條件不同，巡航又可分為定高定速、平飛加速兩種形態(tài)。因此，四軸無(wú)人機(jī)需根據(jù)飛機(jī)的重量、推力、環(huán)境因素等進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 起飛/降落階段

四軸無(wú)人機(jī)起飛/降落階段主要通過(guò)恒定的提升速度到達(dá)指定的高度，起飛的主要參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表2。

表2 四軸無(wú)人機(jī)起飛參數(shù)設(shè)定

其提升力計(jì)算公式為：

(1)

其中：L為無(wú)人機(jī)的提升力，N；ρ為空氣密度，500 m高度空氣密度為1.166 kg/m3；S為機(jī)翼參考面積，取1.2 m2；vq為無(wú)人機(jī)起飛最大速度，m/s；Cr為飛機(jī)提升力系數(shù)，根據(jù)使用條件，取Cr=0.85。根據(jù)算出的提升力進(jìn)一步計(jì)算可得無(wú)人機(jī)起飛所需功率為6 kW左右。

2.2 巡航階段

四軸無(wú)人機(jī)巡航階段主要實(shí)現(xiàn)往返、盤旋、格柵掃描等動(dòng)作，其運(yùn)行過(guò)程中推力主要克服阻力做功，而提升力需等于重力。四軸無(wú)人機(jī)巡航主要參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 四軸無(wú)人機(jī)巡航參數(shù)設(shè)定

無(wú)人機(jī)在巡航過(guò)程中，可設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)的推力與阻力相當(dāng)，即：

(2)

其中：F為無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)所提供的動(dòng)力，N；D為空氣所造成的阻力，N；CP為巡航時(shí)的阻力系數(shù)，此處根據(jù)使用條件取CP=0.75;vx為無(wú)人機(jī)巡航最大速度。

無(wú)人機(jī)所需的提升力應(yīng)與重力平衡，即：

(3)

其中：m為無(wú)人機(jī)總質(zhì)量；g為重力加速度；CL為保持重量平衡的均衡系數(shù)，此處取CL=0.8。

因此無(wú)人機(jī)在巡航過(guò)程中所需功率為：

(4)

其中：A為展旋長(zhǎng)，此處為55 cm；R為展旋半徑，此處為10 cm；b為機(jī)翼展長(zhǎng)，此處為30.5 cm。

根據(jù)式(4)計(jì)算，可得巡航時(shí)所需功率為10 kW。

3 四軸無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

四軸無(wú)人機(jī)作為一種最直觀、最簡(jiǎn)單的無(wú)人機(jī)形式，其主要由飛行器控制面板、機(jī)架、電源、電機(jī)和旋翼等組成。四軸無(wú)人機(jī)雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)四個(gè)螺旋槳協(xié)調(diào)動(dòng)作，對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)、螺旋系統(tǒng)、飛行器控制系統(tǒng)要求十分嚴(yán)格，同時(shí)傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)存在續(xù)航短、成本高等問(wèn)題，對(duì)無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)存在著巨大挑戰(zhàn)。

3.1 四軸無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

四軸無(wú)人機(jī)在飛行期間，由于環(huán)境多變復(fù)雜、執(zhí)行任務(wù)多樣性、機(jī)身自身需要小型化和微型化等特點(diǎn)，對(duì)控制系統(tǒng)要求較高。針對(duì)四軸無(wú)人機(jī)的性能特點(diǎn)，該無(wú)人機(jī)采用無(wú)線通信與集成控制于一體的mega2560作為主芯片，通過(guò)超聲波傳感器高度控制法，實(shí)現(xiàn)四軸無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定飛行、起飛、懸停、降落等功能。在四軸無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)中，其主控芯片相當(dāng)于人腦，將傳感器中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為四軸無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線模塊進(jìn)行信息匹配，實(shí)現(xiàn)四軸無(wú)人機(jī)四個(gè)電機(jī)動(dòng)作的實(shí)時(shí)配合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)四軸無(wú)人機(jī)的動(dòng)作控制[2]。

mega2560作為主芯片，具有54個(gè)數(shù)字輸出接口、16個(gè)數(shù)字輸入口，低電壓3.3 V/5 V供電，且具備ATmega16U2編程、控制與無(wú)線通信、雙靜態(tài)存儲(chǔ)等功能，可滿足四軸無(wú)人機(jī)控制要求。

傳感器采用多傳感器組合的傳感器組，用來(lái)檢測(cè)無(wú)人機(jī)的高度、角度等信息，為無(wú)人機(jī)的控制計(jì)算提供所需的信息與數(shù)據(jù)。采用三軸螺旋儀、三軸加速器、三軸磁力器構(gòu)成的姿態(tài)角測(cè)量傳感器單元檢測(cè)姿態(tài)角數(shù)據(jù)，檢測(cè)高度數(shù)據(jù)則通過(guò)超聲波傳感器來(lái)獲取。因?yàn)樗妮S無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中外界干擾大，需要精度高，所以應(yīng)選用抗干擾能力強(qiáng)、精度高、質(zhì)量小的傳感器。

3.2 四軸無(wú)人機(jī)的旋翼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該四軸無(wú)人機(jī)采用高強(qiáng)度碳纖維材料的可變螺旋槳系統(tǒng)，通過(guò)周期變距實(shí)現(xiàn)前飛、后飛、俯仰、翻轉(zhuǎn)等動(dòng)作。前后方向動(dòng)作、翻轉(zhuǎn)仰視可分別通過(guò)不同的軸距進(jìn)行控制，避免了不同周期變距帶來(lái)的相互干擾。其中旋翼系統(tǒng)最重要的幾個(gè)參數(shù)為旋翼的軸間距、直徑、轉(zhuǎn)速、槳葉外形尺寸[3]。

3.2.1 旋翼直徑與軸距

考慮到該無(wú)人機(jī)作為航拍使用，其外形尺寸需控制在25 cm×25 cm×10 cm以內(nèi)，自身重量控制在2 500 g以內(nèi)?？紤]到旋翼之間的干涉問(wèn)題、機(jī)身長(zhǎng)度要求、旋翼直徑對(duì)旋槳面積和功率的影響等因素初步將旋翼軸距設(shè)為20 cm，旋翼直徑設(shè)為15 cm。

3.2.2 旋翼轉(zhuǎn)速

四軸無(wú)人機(jī)是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn)，在此過(guò)程中通過(guò)槳葉產(chǎn)生提升力。因此旋翼的轉(zhuǎn)速減少雖然會(huì)降低無(wú)人機(jī)的功率，但是同時(shí)也會(huì)減少旋翼的提升力?？紤]到以上因素，旋翼的轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足：

ΩR1

(5)

其中：Ω為旋翼轉(zhuǎn)速；R1為旋翼半徑；vcritical為旋翼槳尖速度。旋翼阻力的發(fā)散馬赫數(shù)一般為0.6～0.7，此時(shí)將槳尖速度初定為100 m/s左右，馬赫數(shù)為0.65左右。旋翼半徑為7.5 cm，此時(shí)可取轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。通過(guò)旋翼提升力系數(shù)計(jì)算公式(6)和槳葉實(shí)度系數(shù)計(jì)算公式(7)進(jìn)行驗(yàn)算，可滿足設(shè)計(jì)要求。

提升力系數(shù)計(jì)算公式：

(6)

其中：Tmax為最大提升重量。

槳葉實(shí)度系數(shù)計(jì)算公式：

σ>Crmax/0.12.

(7)

其中：σ為槳葉實(shí)度系數(shù)；Crmax為最大提升力系數(shù)。

3.2.3 旋翼外形

旋翼槳葉外形采用馬刀型后掠形，此形狀葉根為圓形，旋翼葉身為ARAH翼形，厚度由薄到厚均勻過(guò)度，這樣使得每個(gè)界面保持均勻的角度，保證了四軸無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中平衡飛行，不會(huì)出現(xiàn)失速，同時(shí)可使無(wú)人機(jī)產(chǎn)生較大提升力，以降低旋翼的無(wú)效功率。

3.3 四軸無(wú)人機(jī)機(jī)架材料選擇

本設(shè)計(jì)機(jī)身材料選用碳纖維復(fù)合材料。該材料具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1) 具備高比強(qiáng)度和高比剛度，且密度只有1.5 g/m3～1.8 g/m3左右，同體積下比鋁的重量低，但強(qiáng)度卻是鋼鐵的5倍以上。采用碳纖維復(fù)合材料可使無(wú)人機(jī)減重30%以上。

(2) 碳纖維可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，可以根據(jù)飛機(jī)的強(qiáng)度和剛度要求進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)，滿足了無(wú)人機(jī)機(jī)架需要大面積成型的這一特點(diǎn)。

(3) 碳纖維耐高溫、耐腐蝕、耐沖擊，可對(duì)抗室外的惡劣環(huán)境。

3.4 四軸無(wú)人機(jī)的電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于四軸無(wú)人機(jī)在航拍時(shí)，需要滿足高精度、低干擾、低噪聲、小體積、高壽命等要求，因此根據(jù)其特點(diǎn)本文設(shè)計(jì)時(shí)決定采用無(wú)刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)按照“大伏轉(zhuǎn)速配小槳，小伏轉(zhuǎn)速配大槳”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，即每伏轉(zhuǎn)速越小，扭力會(huì)越大，可帶動(dòng)更大的旋翼，此時(shí)效率也會(huì)越高，震動(dòng)噪聲也會(huì)越小。所以此無(wú)刷電機(jī)采用每伏轉(zhuǎn)速較小的無(wú)刷電機(jī)。

據(jù)此選用A28-15-6型無(wú)刷電機(jī)，其每伏轉(zhuǎn)速780 r/min，直徑28 mm，長(zhǎng)度36.5 mm，重量86 g，工作電壓4 V～10 V，工作電流28 mA，單個(gè)提升力達(dá)3 kg以上[4]。

3.5 四軸無(wú)人機(jī)的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

10 kg以下無(wú)人機(jī)最常采用的是聚氫氣電池+太陽(yáng)能電池組合形式，因?yàn)樗鼈兙邆涓吣芰恐亓勘龋蓪?shí)現(xiàn)小體積大能量，便于減輕無(wú)人機(jī)重量和增加續(xù)航時(shí)間，且在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生臟污和環(huán)境污染。太陽(yáng)能電池具備高轉(zhuǎn)化率，且綠色環(huán)保，因此，將薄膜式柔性太陽(yáng)能電池安裝在機(jī)翼上；同時(shí)為了彌補(bǔ)太陽(yáng)能電池受環(huán)境影響的缺點(diǎn)，采用氫電池進(jìn)行輔助供電。

4 總結(jié)

四軸無(wú)人機(jī)作為無(wú)人機(jī)市場(chǎng)上最受關(guān)注的一種結(jié)構(gòu)，其在航拍領(lǐng)域具有長(zhǎng)期的研究?jī)r(jià)值。為滿足航拍對(duì)無(wú)人機(jī)的要求，本設(shè)計(jì)采用mega2560芯片作為控制大腦，實(shí)現(xiàn)了交互通信技術(shù)；采用碳纖維復(fù)合材料作為無(wú)人機(jī)機(jī)架，使得無(wú)人機(jī)更輕便；采用可變螺旋槳作為旋翼，保障了無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定性；采用無(wú)刷電機(jī)和聚氫氣+太陽(yáng)能電池，保障了無(wú)人機(jī)的續(xù)航。

未來(lái)在此基礎(chǔ)上將對(duì)現(xiàn)有無(wú)人機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步完善和優(yōu)化，通過(guò)控制算法對(duì)無(wú)人機(jī)的動(dòng)作姿態(tài)和不同環(huán)境下的性能進(jìn)行分析，進(jìn)一步探究無(wú)人機(jī)的更多用途和性能特點(diǎn)。