可垂直起降的高速飛行航模無(wú)人機(jī)的研究

柯帥

摘 要：航模是一種用于航空知識(shí)普及、理論研究、機(jī)型試驗(yàn)、軍事偵查、攝影輔助等領(lǐng)域的不載人模型飛機(jī)，目前常見(jiàn)的有航模直升機(jī)和航模飛翼兩種類型，但它們都具有難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)垂直起降和快速飛行兩種功能的弊端。本研究設(shè)計(jì)了一種螺旋槳可旋轉(zhuǎn)式航模無(wú)人機(jī)，可以通過(guò)伺服舵機(jī)來(lái)調(diào)整螺旋的槳角度，進(jìn)而控制飛行姿態(tài)，當(dāng)起降時(shí)螺旋槳軸線調(diào)整到豎直方向，當(dāng)快速飛行時(shí)螺旋槳軸線調(diào)整到水平方向。此外，為了增加飛行時(shí)間，航模搭載了一套太陽(yáng)能充電系統(tǒng)，通過(guò)安裝在機(jī)翼上的太陽(yáng)能電池板將光能轉(zhuǎn)換成電能，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路、充電電路的處理，輸出端可以直接為鋰電池充電。以上幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的解決，為航模無(wú)人機(jī)在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了有效的技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：航模 垂直起降 高速 太陽(yáng)能

中圖分類號(hào)：V249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）07（b）-0007-02

航模是指能夠在空中飛行的模型飛機(jī)，一般用于航空知識(shí)普及、理論研究、機(jī)型試驗(yàn)、軍事偵查、攝影輔助等領(lǐng)域。目前常見(jiàn)的航模主要有航模直升機(jī)和航模飛翼兩種類型，由于兩者結(jié)構(gòu)布局上的較大差異，所以具有不同的特點(diǎn)[1-2]。其中航模直升機(jī)安裝一個(gè)螺旋槳和一個(gè)尾槳（又稱抗扭螺旋槳），主要依靠螺旋槳的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力和前進(jìn)的推力，尾槳用于平衡姿態(tài)，所以通常螺旋槳的尺寸較大、結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，提供的升力也有限，只能以低速飛行，另外單螺旋槳抗風(fēng)能力差，飛行不穩(wěn)定，易失衡造成失控或墜機(jī)。航模飛翼又稱全翼機(jī)，采用一種有別于常規(guī)方式的氣動(dòng)布局形式，沒(méi)有尾翼，并且機(jī)身的主要部分全都隱藏在機(jī)翼內(nèi)，簡(jiǎn)單說(shuō)就是只有飛機(jī)翅膀的布局形式，機(jī)身和機(jī)翼融為一體，外觀呈扁平狀，這種氣動(dòng)布局方式的好處在于飛行時(shí)只需提供前進(jìn)的推力，機(jī)身依靠自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)產(chǎn)生向上的升力，不足在于需要高速飛行才能產(chǎn)生足夠的升力，滑行起降過(guò)程對(duì)場(chǎng)地要求較高。

另外，現(xiàn)有航模飛機(jī)多采用鋰電池供電，由于受電池容量和充放電效率的限制，航模的飛行時(shí)間和飛行距離有限，飛行一段時(shí)間后就需要降落更換電池或重新充電，大大降低了飛行效率。

1 航模本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有航模無(wú)人機(jī)技術(shù)存在的垂直起降和快速飛行[3]兩種功能無(wú)法兼顧的問(wèn)題，本文提出了一種全新的設(shè)計(jì)方法，利用可以旋轉(zhuǎn)的螺旋槳實(shí)現(xiàn)航模的垂直起降和快速飛行兩種功能，同時(shí)在機(jī)翼上安裝太陽(yáng)能電池板，對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，大大增加了航模的可持續(xù)飛行時(shí)間。

為了解決以上所提出的技術(shù)問(wèn)題，本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用以下技術(shù)方案：垂直起降航模無(wú)人機(jī)本體包括機(jī)身、機(jī)翼、升降及飛行系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，整機(jī)翼展2m，整體質(zhì)量3.5kg，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了減輕重量、提高強(qiáng)度，機(jī)身和機(jī)翼采用輕木薄板和碳纖維桿作為骨架，骨架外部包裹一層碳纖維外殼，既能提高機(jī)身強(qiáng)度，又能降低飛行阻力，機(jī)身骨架內(nèi)部有用于安裝其他控制部件的機(jī)艙[4]。機(jī)翼包括主翼、主翼副翼、尾翼和尾翼副翼，主翼和尾翼可以通過(guò)特有的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)為飛機(jī)提供飛行升力，主翼副翼和尾翼副翼安裝在主翼和尾翼末端，可以在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用下，繞機(jī)翼小角度擺動(dòng)，來(lái)調(diào)整飛機(jī)的飛行姿態(tài)。升降及飛行系統(tǒng)包括兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)的螺旋槳和一個(gè)風(fēng)扇式涵道，螺旋槳可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)來(lái)調(diào)整姿態(tài)，當(dāng)航模在完成起降動(dòng)作時(shí)，將螺旋槳軸線調(diào)整到豎直方向，就可以實(shí)現(xiàn)垂直起降，而在飛行過(guò)程中，只需要將螺旋槳軸線調(diào)整到水平方向，就可以快速飛行，調(diào)整過(guò)程在飛行時(shí)就可以完成。固定安裝在機(jī)體尾部的涵道，其功能是在起降時(shí)與螺旋槳配合維持機(jī)身的平穩(wěn)。

2 控制系統(tǒng)研究

2.1 硬件組成

航模的硬件系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī)、微型伺服舵機(jī)、電子調(diào)速器和飛行控制模塊[5]。其中電動(dòng)機(jī)采用高轉(zhuǎn)速無(wú)刷電機(jī)，電阻低，高能效，最大功率可達(dá)300W，額定轉(zhuǎn)速達(dá)3000轉(zhuǎn)/min，同時(shí)電機(jī)配有12-8APC尼龍兩葉折疊螺旋槳，產(chǎn)生的凈推力為15N。整機(jī)配有4個(gè)數(shù)字舵機(jī)，采用銀燕90508式數(shù)字舵機(jī)，它們分別控制主翼副翼和尾翼副翼，該型號(hào)電機(jī)質(zhì)量小，能耗低，響應(yīng)迅速，最大工作電流僅為0.5A，最大輸出拉力為8N。電子調(diào)速器用于調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入電流，當(dāng)輸入一個(gè)控制信號(hào)給電子調(diào)速器時(shí)，電子調(diào)速器中的放大器會(huì)通過(guò)“增益控制單元”和“復(fù)位單元”把控制信號(hào)變成輸出電流的大小，輸出電流大小直接決定著無(wú)刷電動(dòng)機(jī)和伺服舵機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，進(jìn)一步控制飛機(jī)的飛行姿態(tài)，電子調(diào)速器采用最大輸出電流為40A的型號(hào)，額定工作電壓為7.4～14.8V，最大輸出功率550W。

飛行控制系統(tǒng)是整個(gè)航模硬件部分的核心，通過(guò)它可以控制航模的飛行姿態(tài)和飛行軌跡，具有遙控操作和自主運(yùn)行兩種控制模式[6]。系統(tǒng)發(fā)出指示信號(hào)給電子調(diào)速器，進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)、舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，同時(shí)系統(tǒng)也可以接收傳感器反饋的信號(hào)，根據(jù)反饋信息對(duì)飛行姿態(tài)進(jìn)行微調(diào)。飛行控制系統(tǒng)由三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和一個(gè)ARM處理器組成，在飛行過(guò)程中可以對(duì)航線進(jìn)行校準(zhǔn)，靜態(tài)角度分辨能夠達(dá)到0.1°，而且具有內(nèi)置保護(hù)程序，確保整個(gè)系統(tǒng)具有故障自檢功能，對(duì)航線進(jìn)行記憶，在失控條件下能夠自主返航。

2.2 無(wú)線傳輸模塊

無(wú)線傳輸模塊安裝在機(jī)體內(nèi)部，通過(guò)一根高頻天線與地面基站進(jìn)行通訊，傳輸系統(tǒng)分為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和無(wú)線圖像傳輸。數(shù)據(jù)傳輸通道采用頻率為433MHz的收發(fā)一體電臺(tái)，該數(shù)傳電臺(tái)工作電壓5～7.4V，最大功率為0.25W，地面?zhèn)鬏斁嚯x大于1.5km，地空傳輸距離大于10km。無(wú)線圖像傳輸采用2.4G發(fā)射電臺(tái)，工作電壓3.3～5.5V，最大發(fā)射功率0.5W，可同時(shí)傳輸音頻和視頻。

3 太陽(yáng)能充電系統(tǒng)

由于機(jī)身翼展達(dá)到2m左右，尺寸較大，電池電量消耗快，電池滿電量情況下飛行時(shí)間在30min左右，為了增加續(xù)航時(shí)間，利用太陽(yáng)能充電系統(tǒng)為鋰電池進(jìn)行充電，該系統(tǒng)包括太陽(yáng)能電池板、穩(wěn)壓電路和鋰電池充電器[7]，如圖2所示。太陽(yáng)能電池板安裝在主翼上表面，利于最大程度吸收光照，輸出端由主翼內(nèi)部進(jìn)入機(jī)身與穩(wěn)壓電路、充電電路相連，最終為鋰電池充電。

太陽(yáng)能板采用的是4塊9V的單晶硅電池板，與鋰電池串聯(lián)在一起形成閉合回路，當(dāng)光照強(qiáng)度在5×104kV以上時(shí)，輸出電壓在30V左右，由于太陽(yáng)能電池板直接輸出的電壓是不穩(wěn)定的，需要經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓，穩(wěn)壓電路有效輸入電壓在3～36V之間，而輸出電壓值根據(jù)鋰電池充電電壓要求進(jìn)行設(shè)置，實(shí)際輸出為16.8V，可以直接為鋰電池實(shí)時(shí)充電。此外，在穩(wěn)壓器與鋰電池之間串聯(lián)一個(gè)單向?qū)ǘO管，避免在光照不足時(shí)，鋰電池兩端電壓大于充電電壓，形成反向?qū)ɑ芈贩烹?，充電電路如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)的具有垂直起降和高速飛行兩種功能的航模無(wú)人機(jī)，可以通過(guò)控制螺旋槳的姿態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同功能，有效解決了傳統(tǒng)航模機(jī)型兩者不能兼顧的弊端，大大提高了航模無(wú)人機(jī)的飛行適應(yīng)能力。另外，太陽(yáng)能充電系統(tǒng)可以在飛行過(guò)程中為鋰電池進(jìn)行充電，通過(guò)穩(wěn)壓電路、充電電路將太陽(yáng)能電池板輸出的不穩(wěn)定電壓轉(zhuǎn)換為恒壓輸出，直接為鋰電池進(jìn)行充電。

由于實(shí)現(xiàn)了垂直起降和快速飛行兩種功能，同時(shí)太陽(yáng)能充電系統(tǒng)又可以提高航行時(shí)間，這些關(guān)鍵技術(shù)為航模無(wú)人機(jī)在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)保障。通過(guò)搭載有效的巡檢設(shè)備，比如云臺(tái)攝像機(jī)、紅外熱像儀和激光掃描儀等，航模的功能將不僅僅局限在飛行任務(wù)上，可以實(shí)現(xiàn)更多的功能。

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