一種警用可折疊六旋翼飛行器設(shè)計(jì)

宋光輝

（中國人民解放軍武警工程大學(xué) 裝備工程學(xué)院，陜西 西安710086）

0 引言

武警部隊(duì)承擔(dān)著國家處突、反恐、搶險(xiǎn)救援等重大任務(wù)。尤其是近些年來,處突、反恐形勢日趨嚴(yán)峻，自然災(zāi)害頻發(fā)，而武警部隊(duì)低空偵查力量相對較弱，處置各項(xiàng)任務(wù)時受到較大的限制。 本課題所研究的是一種新型可折疊六旋翼飛行器， 六旋翼飛行器是一種結(jié)構(gòu)較新穎，具有獨(dú)特飛行姿態(tài)且不受大機(jī)翼的限制， 能夠在較小的空間內(nèi)飛行，機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡單，具備自主起飛和降落的功能，系統(tǒng)高度智能，只需要協(xié)調(diào)好各旋翼的轉(zhuǎn)速，就可以實(shí)現(xiàn)較多的飛行姿態(tài)。 相對于常見的四旋翼飛行器具有穩(wěn)定性好，提升能力強(qiáng)等優(yōu)勢，已經(jīng)漸漸取代四旋翼飛行器成為廣大科研工作者研究的重點(diǎn)。 針對武警部隊(duì)任務(wù)的實(shí)際，可專門設(shè)計(jì)出可折疊結(jié)構(gòu)和攜行箱，實(shí)現(xiàn)單兵攜行的目的，通過在云臺上加載高清度攝像頭等模塊化的裝備，來實(shí)現(xiàn)處突、反恐等任務(wù)的需要。

1 六旋翼飛行器的工作原理

六旋翼飛行器是一種六自由度垂直起降飛行器，六旋翼飛行器相鄰的兩個旋翼一個順時針轉(zhuǎn)動，另一個逆時針轉(zhuǎn)動，相鄰兩個槳一個為正槳，而另外一個為反槳，通過這種方式，達(dá)到飛行器自身扭矩相互抵消。 飛行器懸停的時，6 個槳的升力之和等于飛行器的起飛重量，槳的升力和大于飛行器本身的起飛重量時，飛行器起飛，反之，飛行器下降，而通過飛行器6 個旋翼轉(zhuǎn)速的不同，達(dá)到偏航和轉(zhuǎn)換飛行器姿態(tài)的目的。

2 六旋翼飛行器的硬件構(gòu)成

為制造出實(shí)際可靠的六旋翼飛行器，對于硬件選擇很重要的一個原則就是要通過各個模塊相互的協(xié)調(diào)來發(fā)揮出飛行器的整體效能，既要有足夠的冗余保證飛行器的安全，又不能造成浪費(fèi)。飛行器由機(jī)體、飛控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等構(gòu)成。

（1）機(jī)體部分，為了使無人機(jī)具有較高的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，采用碳纖維復(fù)合材料， 中心板采用3mm 的3K 碳纖維板， 旋翼臂采用外徑22mm,內(nèi)徑20mm 的空心碳纖管，軸距為90cm，由于碳纖維材料強(qiáng)度高、質(zhì)量輕，可以最大限度的減小機(jī)身自重。

（2）飛控系統(tǒng)，飛控系統(tǒng)是整個無人機(jī)姿態(tài)控制的核心模塊。飛控系統(tǒng)由主控系統(tǒng)、 姿態(tài)測試系統(tǒng)、 接收機(jī)構(gòu)成。 1. 主控系統(tǒng)采用APM2.5 開源處理器，可以通過編程實(shí)現(xiàn)自動飛行。 2.姿態(tài)測量系統(tǒng)由三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、氣壓計(jì)、磁力計(jì)構(gòu)成，對飛行的姿態(tài)進(jìn)行測量， 將測量結(jié)果輸入主控系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)解算。 3. 接收模塊由頻率2.4GHZ 的接收機(jī)構(gòu)成，工作電壓為5V，由電池進(jìn)行供電，負(fù)責(zé)飛行指令的接收。

（3）動力系統(tǒng)，選用320KV 的SunnySky X4112S 盤式無刷電機(jī)配APC14*47 螺旋槳、好贏6S 40A 電子調(diào)速器和22.2V 10000mA h 航模電池，飛機(jī)的續(xù)航能力大約20 分鐘。單個電機(jī)拉力與電流之間的關(guān)系如圖3 所示，通過的最大電流為13.6A，最大提升力為2060g，可以估算出飛行器的最大提升為12.36kg， 為了使飛機(jī)能有足夠動力進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，通常留有40%的冗余，飛行器的整體提升力大約8kg ，機(jī)身整體重量設(shè)定為4kg，所以飛行器凈載荷不能超過4kg，否則飛行時會產(chǎn)生安全隱患。

3 飛行器的控制

為使六旋翼飛行器的姿態(tài)控制穩(wěn)定，防止電機(jī)轉(zhuǎn)速變化幅度較大而產(chǎn)生機(jī)身不穩(wěn)定的現(xiàn)象，采用最常用的PID 控制的方法對飛行姿態(tài)進(jìn)行控制。圖4 為控制系統(tǒng)簡圖，地面站發(fā)射飛行指令給接收機(jī)，經(jīng)過PPM 解碼傳給飛控系統(tǒng)， 飛控系統(tǒng)根據(jù)解算的飛行姿態(tài)參數(shù)和解碼出的飛行信號將兩者進(jìn)行統(tǒng)合， 根據(jù)融合的結(jié)果確定相應(yīng)的控制量，輸出PWM 信號對電機(jī)進(jìn)行控制。

4 結(jié)束語

可折疊六旋翼飛行器是一種結(jié)構(gòu)新穎的無人飛行系統(tǒng)，能解決部隊(duì)現(xiàn)有旋翼飛行器體積較大，不便于攜行的目的，利用GPS 全球定位系統(tǒng)，可通過航跡規(guī)劃的方法使其自主完成偵查等任務(wù)，通過加載避障裝置，能實(shí)現(xiàn)其安全自主飛行，具有很強(qiáng)的可行性。

隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展， 相信未來將會制造出體積更小、結(jié)構(gòu)更輕、移動更加靈活的超小型無人旋翼飛行系統(tǒng)，便于進(jìn)行無聲隱蔽偵查，更能夠促使武警部隊(duì)任務(wù)的完成，這也是我們也是下一步工作研究的重點(diǎn)和方向。

［1］楊力,張帆,張峰.四旋翼飛行器動力控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012,12(24).

［2］李俊,李運(yùn)堂.四旋翼飛行器的動力學(xué)建模及PID 控制[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,31(1).

［3］張廣玉,張洪濤,李隆球,王林.四旋翼微型飛行器設(shè)計(jì)[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012,17（3）：110-114.