基于第一視角便攜式無人偵察機(jī)系統(tǒng)

摘 要：基于第一視角的便攜式無人偵察機(jī)系統(tǒng)采用第一視角操縱方式，可以進(jìn)行超視距飛行操作，擴(kuò)大其工作半徑。利用AutoCAD，XFLR5，CATIA等軟件制圖、仿真模擬軟件，結(jié)合已有知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐研究。項(xiàng)目組完成了無人機(jī)載機(jī)設(shè)計(jì)，圖傳設(shè)備的選擇與改進(jìn)，圖像傳輸、采集等任務(wù)。飛機(jī)整體設(shè)計(jì)為滑翔機(jī)結(jié)構(gòu)，有較大的推重比。應(yīng)用OSD（on-screen display的簡稱即屏幕菜單式調(diào)節(jié)方式）模塊，實(shí)時(shí)顯示航向，傾角等飛行數(shù)據(jù)，有利于地面控制者操縱。此飛機(jī)以第一視角方式操作可用于科研實(shí)驗(yàn)、事故搜救、軍事偵察等不同場(chǎng)合，且航線比計(jì)算機(jī)程序操縱的無人機(jī)更加靈活，成本低廉，應(yīng)用廣泛。

關(guān)鍵詞：模型飛機(jī)；第一視角；便攜式

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，無人機(jī)已逐漸進(jìn)入公眾視野。不可否認(rèn)，無人機(jī)的應(yīng)用提高了工作效率，改變了一些行業(yè)的生產(chǎn)方式，甚至有專家預(yù)言無人機(jī)會(huì)帶來新的革命。

在無人機(jī)普遍發(fā)展的大環(huán)境下，項(xiàng)目組成員提出了“基于第一視角便攜式無人偵察機(jī)系統(tǒng)”的設(shè)想，并進(jìn)行了實(shí)踐。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速拆裝飛行器，整套設(shè)備能放置在便攜式容器中（長寬高之和不超過1600mm）。飛行器操縱簡單，借助由飛行器攝像頭采集，實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嬲镜囊曨l信號(hào)，飛手進(jìn)行第一視角飛行，能完成偵查任務(wù)且不需要云臺(tái)手，導(dǎo)航手協(xié)助。飛行器采用模塊化設(shè)計(jì)，容易修補(bǔ)，制作成本低。

1 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 翼型與機(jī)翼平面形狀的選擇。根據(jù)項(xiàng)目要求我們需要飛行器攜帶圖傳設(shè)備和攝像頭進(jìn)行第一視角偵查飛行任務(wù)，因此飛行器需要一定的載重能力，其次由于要進(jìn)行視頻圖像的傳輸，要求飛行器在飛行過程中有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

第一步確定翼型，綜合考慮由于飛行器的載重與穩(wěn)定性我們選擇了在航空工業(yè)上赫赫有名的CLARK Y翼型，這類翼型的飛行器最大的特點(diǎn)是有較大的載重能力并且在飛行中的穩(wěn)定性很好，但是缺點(diǎn)就是飛行阻力較大，考慮我們的飛行器在飛行過程中相對(duì)速度較慢其帶來的阻力較小，影響不大。（如圖1）

矩形機(jī)翼的剖面形狀沿展向保持不變，這種平面形狀在氣動(dòng)上不是最好，因?yàn)樗囊砑獠糠謱?duì)升力貢獻(xiàn)較小，沒有承擔(dān)飛行器的重量載荷。但矩形翼具有制作簡單，計(jì)算機(jī)軟件模擬準(zhǔn)確高等特點(diǎn)。并且，本項(xiàng)目飛行器在相對(duì)低速的環(huán)境下運(yùn)行。通過查閱文獻(xiàn)得知，低速情況下矩形機(jī)翼與梯形機(jī)翼性能相似，遂采用矩形機(jī)翼。

1.1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)（如表1）

1.2 XFLR5計(jì)算機(jī)軟件模擬

1.2.1 翼型空氣動(dòng)力學(xué)分析。為了驗(yàn)證CLARK-Y型翼是否適用于我們的飛行器，我們對(duì)它進(jìn)行空動(dòng)力學(xué)分析。首先計(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。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。

雷諾數(shù)=（流體密度/粘滯系數(shù)）*速度*長度

帶入常數(shù)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)一步得到簡縮公式：

雷諾數(shù)=68459*速度*長度

銀川本地海拔約為1100米，空氣密度較標(biāo)準(zhǔn)值較?。s為標(biāo)準(zhǔn)值的76%），且地處西北內(nèi)陸，空氣濕度（粘度）較小，這些數(shù)據(jù)難以監(jiān)控與測(cè)量。但是由簡縮公式易知此兩項(xiàng)變量對(duì)于最終結(jié)果的影響在可接受范圍內(nèi)，故可使用此公式。預(yù)設(shè)飛行器的飛行速度在15M/s，算得雷諾數(shù)為22000。

我們選用的CLARK-Y型翼在機(jī)翼迎角約達(dá)到20度時(shí)，升力系數(shù)有驟降的趨勢(shì)，但此時(shí)的升阻比仍約30，且俯仰力矩系數(shù)曲線的梯度為負(fù)值，不易產(chǎn)生失速。所以我們選擇的翼型具有失速范圍寬，升力大等特點(diǎn)。（如圖2、圖3）

輸入相關(guān)參數(shù)，經(jīng)過軟件模擬，機(jī)翼的迎角范圍理論上可達(dá)到-10°到30°，符合載機(jī)的工作范圍。機(jī)翼翼尖產(chǎn)生的湍流對(duì)機(jī)翼整體的影響較小，符合設(shè)計(jì)要求。機(jī)翼各部分受力在預(yù)期的范圍內(nèi)，制作材料的剛性可以滿足預(yù)設(shè)條件。（如圖4）

綜上，我們可以在飛行器上采用CLARK-Y型翼。

1.2.2 平垂尾的選擇。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，它起的作用是抬頭力矩，以達(dá)到飛機(jī)配平的目的。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61490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。在低速條件下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。垂直尾翼面積占機(jī)翼的10%。通過計(jì)算，垂直尾翼面積約為21511平方毫米。

1.2.3 便攜式設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)我們將原本1300mm的機(jī)翼設(shè)計(jì)為三段式。暨中翼段640mm和兩個(gè)對(duì)稱的外翼段330mm，而機(jī)翼的鏈接我們用合頁將中翼段和外翼段鏈接，用彈片將其固定。同時(shí)，項(xiàng)目組創(chuàng)新的采用了伸縮式機(jī)身尾桿。將碳纖維方桿與雨傘的卡扣結(jié)構(gòu)相結(jié)合，增強(qiáng)了垂尾的抗扭曲性能，而且這樣我們就可以最大程度的減小了飛行器所占用的空間，達(dá)到便攜式的目的。（如圖5）

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。對(duì)于電動(dòng)機(jī)的選擇，項(xiàng)目組本著節(jié)約的原則，選擇了Sunnysky公司生產(chǎn)的2216，KV1250型號(hào)的電機(jī)，即定子直徑為22mm，定子厚度為16m，軸徑3.17mm。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的選擇，選用APC 1047螺旋槳。經(jīng)過測(cè)試此螺旋槳與電機(jī)搭配時(shí)的拉力可達(dá)到1300g左右。（如圖6）

1.3.2 舵機(jī)等設(shè)備的選擇。根據(jù)電機(jī)用戶手冊(cè)的電流值，選擇電子調(diào)速器為SKYWALKER，40A。但是后期電調(diào)發(fā)熱嚴(yán)重，為了安全考慮，選擇了SKYWALKER，50A電子調(diào)速器作為代替。由于飛行中副翼，升降舵受力較大，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)。選擇了若干EMAX，ES08AII型舵機(jī)控制舵面。電池組采用格氏2600mah，25C，鋰離子聚合物電池。

2 圖傳設(shè)備的研究

2.1 圖傳設(shè)備的選擇

常規(guī)的圖傳包括5.8GHZ圖傳、2.4GHZ圖傳、1.2GHZ圖傳這三種圖傳，但是現(xiàn)在越來越多的人在使用2.4GHZ的遙控設(shè)備，它會(huì)與2.4GHZ圖傳產(chǎn)生干擾會(huì)使得圖傳回傳視頻圖像干擾和遙控設(shè)備遙控距離的縮減，而我們所用到遙控設(shè)備正好是2.4GHZ所以起初沒有考慮2.4GHZ圖傳設(shè)備。我們現(xiàn)有圖傳設(shè)備如下：

設(shè)備1：Aomway5.8GHZ圖傳 功率 1000mwh

設(shè)備2：DJI大疆5.8GHZ圖傳 功率 200mwh

設(shè)備3：Aomway1.2GHZ圖傳 功率 200mwh

我們將這三種設(shè)備進(jìn)行了一次較為科學(xué)完善的實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通常應(yīng)用的圖傳設(shè)備能不能滿足我們是項(xiàng)目要求。（如圖7）

此外，通過實(shí)時(shí)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，這三款圖傳的延遲都很高大約在2S左右，考慮到飛行器的飛行速度約為15m/s左右，這大約兩秒的誤差足以造成不可挽回的事故。為了選擇真正適合的圖傳設(shè)備，項(xiàng)目組的目光投向了2.4GHZ圖傳設(shè)備。為了少走彎路，項(xiàng)目組將圖傳直接定位在高清數(shù)字圖傳，最終選定了一款理論傳輸距離達(dá)2km，支持1080p高清數(shù)字圖傳的設(shè)備。接下來，項(xiàng)目組對(duì)于圖傳與遙控器的干擾問題進(jìn)行探究。（如圖8、圖9）

查閱了大量資料，我們了解到2.4G圖傳與遙控器設(shè)備的嚴(yán)重干擾是小概率事件的，通過實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，遙控器與圖傳的干擾確實(shí)存在，但是在總計(jì)102架次飛行中，嚴(yán)重干擾的情況沒有出現(xiàn)。傳輸圖像的清晰度符合第一視角飛行要求。最終我們選擇了DJI lightbridge數(shù)字圖傳作為圖傳設(shè)備。

2.2 OSD模塊的應(yīng)用

應(yīng)用OSD模塊后，可將GPS信號(hào)、運(yùn)動(dòng)傳感器等信號(hào)疊加顯示在顯示屏幕上。這樣，飛手在屏幕上看到的不僅僅是傳回來的高清圖像，還有實(shí)時(shí)顯示的航向，傾角等飛行數(shù)據(jù)，便于飛手對(duì)飛行器姿態(tài)進(jìn)行判斷與調(diào)整。（如圖10）

以下是該OSD模塊的基本參數(shù)：

（1）OSD模塊大?。?7*26*8毫米；（2）模塊重量：20克

（含GPS模塊）；（3）工作電壓：7～16.8V （支持3S 4S電池）；（4）工作電流：小于100毫安（12V）；（5）雙路電壓檢測(cè)范圍：0～16.8V/0～30V

我們將飛行器動(dòng)力電源引出一根供電線連接在OSD模塊的電源端，實(shí)現(xiàn)對(duì)OSD模塊和GPS模塊的供電。并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 總裝與第一視角飛行實(shí)驗(yàn)

總裝時(shí)采用艙壁與設(shè)備軟連接的方式，采用泡沫塑料模具填充，可起到保護(hù)減震等作用?？傃b后試飛成功。后續(xù)試驗(yàn)中飛行器出現(xiàn)了大角度轉(zhuǎn)彎失速的狀況。根據(jù)項(xiàng)目組的推測(cè)以及相關(guān)數(shù)據(jù)的支持下，我們調(diào)整了副翼的角度，解決了問題。在經(jīng)過了反復(fù)的實(shí)驗(yàn)與調(diào)整，飛行器最終可以完成預(yù)期的目標(biāo)。

為了更好地檢驗(yàn)本項(xiàng)目的成果，“基于第一視角便攜式無人偵察機(jī)系統(tǒng)”項(xiàng)目組成員與航模隊(duì)成員進(jìn)行整編，組成兩組隊(duì)伍，組成兩個(gè)任務(wù)組，應(yīng)用項(xiàng)目的相關(guān)成果，參加2015年度“中國國際飛行器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)賽”。奪得一等獎(jiǎng)，二等獎(jiǎng)各一項(xiàng)。

參考文獻(xiàn)

[1]張煒，蘇建民，張亞鋒.模型飛機(jī)的翼型與機(jī)翼[M].航空工業(yè)出版社，2007.

[2]譚楚雄.模型飛機(jī)調(diào)整原理[M].航空工業(yè)出版社，2010.

[3]于海龍，鄔倫.森林火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像傳輸方案研究[J].地理信息世界，2004，4：40-44.

[4]劉樹昌，劉鵬，王延海，等.大容量高速視頻圖像傳輸技術(shù)研究[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2011，1.

[5]W.L.Stutzman，G.A.Thiele.天線理論與設(shè)計(jì)[M].人民郵電出版社，2006.

作者簡介：匡銀虎（1973-），男，高級(jí)工程師，研究方向：電路與系統(tǒng)。

劉明遠(yuǎn)（1995-），男，寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院本科生，研究方向：飛行器設(shè)計(jì)。