共軸雙槳飛行機(jī)器人

伍錫坤+易重桂+袁帥

摘 要：針對現(xiàn)實生活中，飛行機(jī)器人易因碰撞而“機(jī)毀人亡”的問題，文中設(shè)計了一款共軸雙槳飛行機(jī)器人。該產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)簡單，氣動特性對稱，機(jī)動性好，外廓尺寸緊湊等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于我國東北部地區(qū)，具有良好的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：共軸雙槳飛行機(jī)器人；GPS

0 引 言

現(xiàn)今研究中，飛行機(jī)器人在障礙物較多的環(huán)境中的保護(hù)措施主要是增加外框?qū)C(jī)器人進(jìn)行保護(hù)。圖1所示的防護(hù)方式采用泡沫材質(zhì)的外框?qū)λ妮S飛行器的四個螺旋槳進(jìn)行保護(hù)。該保護(hù)形勢可有效保護(hù)在平飛過程中產(chǎn)生的碰撞問題。但由于底部、頂部缺少保護(hù)，如上部有柔性的樹葉樹枝等障礙時會被螺旋槳的吸力吸附，而飛行器可能會因纏繞螺旋槳產(chǎn)生碰撞毀損。

圖2所示的飛行機(jī)器人則具有全方位的外圍保護(hù)網(wǎng)，該種形式的保護(hù)籠原理上可以保護(hù)因各方向撞擊造成的損害，但由于同時存在4部螺旋槳系統(tǒng)因此體積往往具有冗余空間，且四臺電機(jī)中任意一臺出現(xiàn)問題就會讓整個飛行機(jī)器人癱瘓，因此在電機(jī)可靠性系數(shù)相同的情況下，可靠性反而低于只有一臺推進(jìn)器的飛行機(jī)器人。

共軸雙槳飛行機(jī)器人可以利用自身慣性導(dǎo)航和GPS定位的優(yōu)勢被應(yīng)用到許多復(fù)雜的環(huán)境之中，最典型的例子就是森林搜索與救援。傳統(tǒng)的飛行器如果與障礙物直接相撞就會“機(jī)毀人亡”，而且復(fù)雜環(huán)境對螺旋槳的氣流影響也會干擾其飛行的穩(wěn)定性，因此本作品提出一種彈性概念飛行機(jī)器人，在復(fù)雜環(huán)境中飛行和與障礙物發(fā)生碰撞時都不會對飛行機(jī)器人的穩(wěn)定性產(chǎn)生太大干擾。

1 工作原理

共軸雙槳飛行機(jī)器人可以利用自身慣性導(dǎo)航和GPS定位的優(yōu)勢被應(yīng)用到許多復(fù)雜的環(huán)境中。文中設(shè)計了一種彈性概念飛行機(jī)器人。該機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)包括一個被保護(hù)在兩個碳纖維復(fù)合材料防護(hù)框架中的共軸雙槳推進(jìn)系統(tǒng)和一套三軸平衡系統(tǒng)。內(nèi)部框架包括傳統(tǒng)的推進(jìn)和穩(wěn)定系統(tǒng)，使得飛行器在空中可以形成一個方向向上的力，抵抗微小的擾動；外部框架用于保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不受外部物體接觸，不會過多的影響推進(jìn)系統(tǒng)。彈性概念飛行機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖3所示。

這種結(jié)構(gòu)設(shè)計可以讓機(jī)器人的重心穩(wěn)定保持在球型結(jié)構(gòu)的幾何中心，當(dāng)發(fā)生碰撞時這種活動的結(jié)構(gòu)可使飛行器與障礙物之間的摩擦力最小，使得碰撞對機(jī)器人飛行姿態(tài)的影響最小。基于以上要求，該作品提出一個“SuperBall”機(jī)器人模型，并根據(jù)該模型的概念進(jìn)行制作。作品最終可在我國東北地區(qū)的森林中完整通過，且不會因為碰撞而墜毀。

2 創(chuàng)新點(diǎn)

共軸雙槳推進(jìn)系統(tǒng)是兩幅槳葉方向相反的旋翼一上一下安裝在同一根旋轉(zhuǎn)軸上，兩旋翼間具有一定的間距，兩幅旋翼的旋轉(zhuǎn)方向相反，他們所產(chǎn)生的軸向扭矩可以互相抵消，飛行航向依靠控制上下兩旋翼的軸向扭矩差來完成。相比傳統(tǒng)的單旋翼飛行器，共軸雙槳飛行器無尾槳，結(jié)構(gòu)更簡單；氣動特性對稱，機(jī)動性好；外廓尺寸緊湊，在提供同樣升力的情況下，共軸雙槳飛行器的外廓尺寸要比單翼飛行器小?，F(xiàn)在國際無人直升機(jī)發(fā)展方向趨于共軸式直升機(jī)，它在相同級別的發(fā)動機(jī)下，有效載荷較單槳直升機(jī)更大，更安全，體積相對較小，也便于更小的場地起降，適合更小的地面車輛進(jìn)行運(yùn)載。

該作品采用碳纖維網(wǎng)狀保護(hù)罩應(yīng)對碰撞情況。碳纖維是由含碳量較高，在熱處理過程中不熔融的人造化學(xué)纖維經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成，具有高強(qiáng)度、高韌性，耐熱性和抗熱沖擊性出色，低熱膨脹系數(shù)，重量輕等特點(diǎn)，是新時代飛行器的首選材料。但碳纖維保護(hù)罩并非直接安裝在機(jī)身上，而是安裝在一個有兩個自由度的云臺上，當(dāng)發(fā)生碰撞時外部保護(hù)罩會隨著碰撞物和機(jī)器人之間的摩擦力自由轉(zhuǎn)動，減少摩擦力對機(jī)身姿態(tài)帶來的影響，使得飛行可靠性大大增加。

3 市場前景

我國東北地區(qū)林區(qū)面積大，地形復(fù)雜，人跡罕至，且由于氣候原因，春秋季節(jié)較為干燥，溫差變化大，使得東北地區(qū)自然災(zāi)害的救援與防控難度特別大。而我們的作品具有機(jī)動性好，穩(wěn)定可靠，能夠快速低空穿過復(fù)雜林區(qū)，再配合現(xiàn)有的先進(jìn)偵查手段，具有早發(fā)現(xiàn)災(zāi)情、早進(jìn)入災(zāi)區(qū)、早實施救援的能力，在我國東北地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。同時，由于其體形小，且防撞能力優(yōu)秀，因此在室內(nèi)飛行也具有極大優(yōu)勢。在無人機(jī)航拍領(lǐng)域，配合航拍技術(shù)可以使飛行器航拍過程中的安全性能大大提升。