四旋翼垂直起降固定翼飛行器設(shè)計(jì)

匡銀虎　劉明遠(yuǎn)　石礦林

【摘 要】四旋翼垂直起降固定翼飛行器兼具多旋翼飛行器和固定翼飛行器的優(yōu)點(diǎn)，能夠垂直起降、定點(diǎn)懸浮，還可以高速巡航飛行，是極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦惋w行器。以四旋翼與固定翼相結(jié)合的總體設(shè)計(jì)思路，應(yīng)用AutoCAD和Profili設(shè)計(jì)軟件，經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)，設(shè)計(jì)并制作出了能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降功能的模型飛機(jī)。并且通過對(duì)APM飛控源碼的深入研究，利用Arduino語(yǔ)言編寫了飛行器的控制代碼，在APM 中新增了垂直起降模式，最終實(shí)現(xiàn)了多旋翼與固定翼的轉(zhuǎn)換。

【關(guān)鍵詞】模型飛機(jī)；垂直起降；APM自駕儀

垂直起落技術(shù)顧名思義就是飛機(jī)不需要滑跑就可以起飛和著陸的技術(shù)。垂直起降飛行器（VTOL，Vertical Take-Off and Landing）能夠以零速度起飛/著陸，具備懸停能力，并能以固定翼的方式水平飛行。它是從50年代末期開始發(fā)展的一項(xiàng)航空技術(shù)。

當(dāng)前的研究大多數(shù)都集中在對(duì)四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)上，而將四旋翼飛行器與固定翼飛機(jī)相結(jié)合的研究很少。本項(xiàng)目希望結(jié)合多旋翼和固定翼飛機(jī)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)一款具有垂直起降功能的固定翼模型飛機(jī)。此款模型飛機(jī)可以實(shí)現(xiàn)多旋翼與固定翼飛行模式的相互轉(zhuǎn)換，同時(shí)具備直升機(jī)垂直起降、空中懸停和固定翼飛機(jī)高速巡航的優(yōu)點(diǎn)。

1 垂直起降飛行器的設(shè)計(jì)

1.1 飛行器總體布局及設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1.1 氣動(dòng)布局

氣動(dòng)布局同飛機(jī)外形構(gòu)造和大部件的布局與飛機(jī)的動(dòng)態(tài)特性及所受到的空氣動(dòng)力密切相關(guān)。關(guān)系到飛機(jī)的飛行特征及性能。故將飛機(jī)外部總體形態(tài)布局與位置安排稱作氣動(dòng)布局。簡(jiǎn)單地說，氣動(dòng)布局就是指飛機(jī)的各翼面，如主翼、尾翼等是如何放置的，氣動(dòng)布局主要決定飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性。

由于常規(guī)布局在眾多布局中最為成熟，易于設(shè)計(jì)和后期調(diào)試，本項(xiàng)目采用經(jīng)典的常規(guī)布局。

1.1.2 總體布局

為了實(shí)現(xiàn)垂直起降的功能，我們采用了把四旋翼和常規(guī)布局固定翼疊加的方法設(shè)計(jì)飛行器。

在不影響固定翼氣動(dòng)布局的前提下，將四旋翼的兩條縱向的機(jī)架與主翼的肋片固定，橫向的機(jī)架則由主翼的翼梁充當(dāng)。與常規(guī)四旋翼不同的是，飛行器前方的一對(duì)旋翼可以進(jìn)行70度傾轉(zhuǎn)，用于完成垂直起降和固定翼模式的轉(zhuǎn)換。且在固定翼模式時(shí)后方的一對(duì)電機(jī)停止工作，以節(jié)省電力。

1.1.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 飛行器局部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.2.1 主翼

根據(jù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)參數(shù)，希望垂直起降飛行器可以攜帶一定的載荷，且飛行速度不能太高，為了減輕動(dòng)力系統(tǒng)重量，阻力也不能太大。平凸翼型是最佳的選擇。

在設(shè)計(jì)翼型時(shí)采用Profili翼型設(shè)計(jì)軟件。Profili翼型庫(kù)中的CLARK-Y型翼是平凸翼中最典型的一種，也是航模愛好者們最常用的一款翼型，其最凸出處為弦長(zhǎng)20%處。

為了驗(yàn)證CLARK-Y型翼是否適用于垂直起降飛行器，我們對(duì)它進(jìn)行空動(dòng)力學(xué)分析。首先使用Profili自帶的雷諾數(shù)計(jì)算器計(jì)算雷諾數(shù)。雷諾數(shù)——空氣中運(yùn)動(dòng)的物體受到空氣的黏性力和慣性力的比，簡(jiǎn)單解釋就是空氣分子運(yùn)動(dòng)中有質(zhì)量由速度，遇到物體就會(huì)對(duì)物體有力產(chǎn)生，同時(shí)分子和分子之間的相互作用會(huì)有黏黏的感覺。具體就不贅述，主要參考規(guī)律，飛機(jī)越大雷諾數(shù)越大，受到黏性力的成分越少。

代入飛行器的最大飛行高度100米，最大飛行速度5米/秒，最大弦長(zhǎng)20厘米，得出飛行器的雷諾數(shù)約為70000。

我們選用的CLARK-Y型翼在機(jī)翼迎角達(dá)到5度時(shí)，升阻比曲線升到最高點(diǎn)，此時(shí)機(jī)翼?yè)碛凶詈玫纳杼匦裕洗怪逼鸾碉w行器的實(shí)際情況。同樣機(jī)翼迎角在5度附近時(shí)，CLARK-Y型翼的俯仰力矩最小，此時(shí)改變飛行器的俯仰姿態(tài)最為容易，也符合垂直起降飛行器的實(shí)際情況。

綜上，我們可以在飛行器上采用CLARK-Y型翼。

1.2.2 平尾

確定水平尾翼的翼型和面積。水平尾翼對(duì)整架飛機(jī)來說，也是一個(gè)很重要的問題。水平尾翼和機(jī)翼的功能恰恰相反，它是用來產(chǎn)生負(fù)升力的，所以它起的作用是抬頭力矩，以達(dá)到飛機(jī)配平的目的。由此可知，水平尾翼只能采用雙凸對(duì)稱翼型和平板翼型，不能采用有升力平凸翼型。水平尾翼的面積應(yīng)為機(jī)翼面積的20-25%。我們選定22%，計(jì)算后得出水平尾翼的面積為89100平方毫米。同時(shí)要注意，水平尾翼的寬度約等于0.7個(gè)機(jī)翼的弦長(zhǎng)。

1.2.3 垂尾

垂直尾翼是用來保證飛機(jī)的縱向穩(wěn)定性的。垂直尾翼面積越大，縱向穩(wěn)定性越好。當(dāng)然，垂直尾翼面積的大小，還要以飛機(jī)的速度而定。速度大的飛機(jī)，垂直尾翼面積越大，反之就小。垂直尾翼面積占機(jī)翼的10%。因?yàn)榇怪逼鸾碉w行器飛行速度不高，垂尾的面積可以小一些，我們選擇9.8%。通過計(jì)算，垂直尾翼面積應(yīng)為18200平方毫米。在保證垂直尾翼面積的基礎(chǔ)上，垂直尾翼的形狀，隨意性較大。

1.2.4 傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)作為垂直起降飛機(jī)模式轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵執(zhí)行部件，是整架飛行器上受力最大的部分。因此，在盡量控制飛行器空重的前提下必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸獭４颂幬覀儾捎昧藱C(jī)械性能極佳又輕質(zhì)的碳纖維管作為機(jī)架，并且機(jī)架兩側(cè)的翼肋和這一段的翼梁采用航空層板制作，以減小形變，避免在旋翼傾轉(zhuǎn)過程中機(jī)翼被撕裂。

傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)上安裝了作為飛行器動(dòng)力的電機(jī)和螺旋槳，需要完成使槳平面傾轉(zhuǎn)70度的工作。我們?cè)O(shè)計(jì)的傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)使用舵機(jī)作為動(dòng)力，碳纖維管作為旋轉(zhuǎn)軸，航空層板作為作為主要結(jié)構(gòu)。

1.3 飛行器電子設(shè)備的選擇

1.3.1 飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的選擇

本次設(shè)計(jì)采用的執(zhí)行電機(jī)為無位置傳感器無刷直流電機(jī)，如圖6 所示。相比于傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)，無刷直流電機(jī)的可控性強(qiáng)、運(yùn)行效率高，具有優(yōu)越的機(jī)械特性，并且無位置傳感器還減小了電機(jī)的復(fù)雜程度和飛行器重量。

根據(jù)電機(jī)廠商提供的數(shù)據(jù)，Sunnysky X2204無刷電機(jī)在搭配GWS8040槳和3S動(dòng)力電池使用時(shí)，最大可以達(dá)到420g的拉力。飛行器在垂直起降模式時(shí)，4個(gè)電機(jī)可以產(chǎn)生約1600g綽綽有余的拉力。在固定翼模式時(shí)，兩個(gè)電機(jī)的拉力也超過了800g，使推重比超過1，大大增強(qiáng)了飛行器的機(jī)動(dòng)能力。

1.3.2 舵機(jī)的選擇

在航模飛機(jī)上，舵機(jī)一般用于控制各個(gè)舵面的角度，以此來改變飛行器的姿態(tài)。本項(xiàng)目除了在舵面上使用舵機(jī)，改變飛行模式的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)也需要用到兩個(gè)舵機(jī)。由于旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)所使用的舵機(jī)直接與電機(jī)座連接，受力非常大，且對(duì)旋轉(zhuǎn)角度要求比較精準(zhǔn)，所以采用了扭矩較大的金屬齒數(shù)字舵機(jī)。而由于飛行器的速度低，重量小，對(duì)舵面控制要求不高，舵面控制采用了質(zhì)量較輕，扭矩較小的塑料齒模擬舵機(jī)。

2 APM開源飛控的研究

2.1 垂直起降模式的編寫

本項(xiàng)目通過對(duì)開源飛控板APM進(jìn)行自主編程實(shí)現(xiàn)了多旋翼與固定翼的轉(zhuǎn)換，我們將它定義為垂直起降模式。

垂直起降模式實(shí)現(xiàn)的具體功能分為兩部分：

1）控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)切換模式時(shí)，舵機(jī)拉動(dòng)電機(jī)，使其轉(zhuǎn)動(dòng)70度，螺旋槳與機(jī)翼垂直。切換回來時(shí)，過程相反。

2）控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)切換模式時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速由當(dāng)前轉(zhuǎn)速慢速變?yōu)?，當(dāng)切換回來時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到四軸模式中該電機(jī)應(yīng)有的轉(zhuǎn)速。

為了實(shí)現(xiàn)提出的功能，在對(duì)飛控源碼進(jìn)行了深入的了解后，我們參考飛控自帶固件ArduCopter，并利用Microsoft Visual Studio編寫了自定義的垂直起降模式。

編程結(jié)束后，為了測(cè)試程序的正確性，對(duì)各項(xiàng)功能進(jìn)行了單獨(dú)的測(cè)試和參數(shù)的調(diào)整，包括固定翼模式、四旋翼模式和過度模式下對(duì)電機(jī)、舵機(jī)的控制。

2.2 實(shí)機(jī)部分功能測(cè)試

在初步的測(cè)試完成后，此時(shí)飛行器的原型機(jī)已經(jīng)制作完成，我們計(jì)劃進(jìn)行下一步的實(shí)機(jī)地面測(cè)試。

在這里我們利用到了APM飛控的地面站軟件Mission Planner。APM Planner 2.0是一個(gè)開源的地面站應(yīng)用，可用于基于MAVlink的自動(dòng)駕駛儀（包括APM和PX4/Pixhawk），可運(yùn)行在Windows、Mac OSX還有Linux上。APM2可以讓你配置飛機(jī)、飛行器、無人車，讓它自動(dòng)駕駛儀協(xié)同工作，使其成為自動(dòng)駕駛載具。使用APM2可以校準(zhǔn)與配置自動(dòng)駕駛儀，計(jì)劃與儲(chǔ)存任務(wù)，還能查看飛行中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

設(shè)置地面站端口波特率為115200，將APM飛控接上串行端口，并下載好已經(jīng)編譯好的垂直起降程序。

在地面站軟件上設(shè)置我們寫好程序的一些參數(shù)，然后將APM安裝到實(shí)機(jī)上，在地面上測(cè)試其四旋翼狀態(tài)的功能，以及旋翼的傾轉(zhuǎn)功能。地面測(cè)試結(jié)果顯示，飛行器在靜態(tài)下，各項(xiàng)功能均正常。

2.3 實(shí)機(jī)驗(yàn)證飛行

接下來的實(shí)機(jī)驗(yàn)證飛行，我們測(cè)試了飛行器完成垂直起飛-切換-固定翼模式平飛-切換-垂直降落的全過程。

驗(yàn)證飛行結(jié)果顯示，飛行器在模式轉(zhuǎn)換過程中，飛行姿態(tài)控制較差，出現(xiàn)了失控墜落的情況。在經(jīng)過了反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，和對(duì)軟硬件多次的改進(jìn)后，飛行器最終可以完成預(yù)期的目標(biāo)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王巖.傾轉(zhuǎn)四旋翼無人機(jī)垂直起降階段控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[2]樊鵬輝，王新華，蔡開元.可垂直起降、高速前飛的飛行器設(shè)計(jì)與控制[J].控制理論與應(yīng)用，2010，09：1171-1177.

[3]王冠林，武哲.垂直起降技術(shù)及其在無人機(jī)上的應(yīng)用[J].飛航導(dǎo)彈，2006，06：20-25.

[4]王冠林，武哲.垂直起降無人機(jī)總體方案分析及控制策略綜合研究[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，2006，03：25-30.

[5]胡鎮(zhèn).傾轉(zhuǎn)定翼四旋翼無人機(jī)垂直起降控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京信息工程大學(xué)，2014.

[責(zé)任編輯：王偉平]