四旋翼快遞用無人機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

摘要：四旋翼無人機(jī)由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，起飛降落便捷，維護(hù)使用方便，已被多個(gè)行業(yè)廣泛使用。相比航拍、巡檢等傳統(tǒng)行業(yè)的無人機(jī)，快遞無人機(jī)結(jié)構(gòu)包括：機(jī)身、控制器，燃料貯存罐，防水電機(jī)與旋翼，GPS系統(tǒng)模塊，物品存放柜?？爝f用無人機(jī)需滿足抗惡劣天氣能力強(qiáng)，具有避障性，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，懸停穩(wěn)定等特性，本文從以上幾個(gè)特性出發(fā)，經(jīng)過設(shè)計(jì)與仿真，提出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能基本滿足快遞用無人機(jī)的使用要求。

關(guān)鍵詞：四旋翼；快遞用無人機(jī)；續(xù)航；穩(wěn)定

無人機(jī)是上個(gè)世紀(jì)80年代初期開始生產(chǎn)研發(fā)的一種微型飛行器，是結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的一類產(chǎn)品，其按照機(jī)翼的結(jié)構(gòu)可以分為三類：固定翼、撲翼和旋翼。旋翼無人機(jī)具有程序控制的自動(dòng)飛行或遙控半自動(dòng)飛行功能，垂直起飛，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定懸停，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便攜帶等特征，在軍用及民用等服務(wù)行業(yè)被大量使用。在90年代日本，美國等國家利用無人機(jī)進(jìn)行軍事航拍，測(cè)繪，農(nóng)業(yè)播種，電力巡檢等作業(yè)，當(dāng)時(shí)無人機(jī)屬于技術(shù)復(fù)雜，價(jià)格高昂的設(shè)備，隨著我國無人機(jī)的快速發(fā)展，硬件與軟件的開發(fā)和設(shè)計(jì)、電機(jī)和控制器技術(shù)的進(jìn)步，歐美日等國家的壟斷被打破，如今我國的民用無人機(jī)企業(yè)逐漸占據(jù)了世界前茅。

目前無人機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用較廣的有植保無人機(jī)，安放無人機(jī)，消防無人機(jī)等，快遞無人機(jī)的應(yīng)用目前還沒有普及?？爝f無人機(jī)是利用無線控制器編程操縱飛行器的飛行，將物品快速送達(dá)目的地，其有效的減少了快遞行業(yè)的運(yùn)輸成品，提高了運(yùn)輸效率，在一些特殊地形地貌配送中起到了決定性的作用。目前的快遞無人機(jī)多采用八旋翼結(jié)構(gòu)，具有定位導(dǎo)航功能，裝有高精度傳感器具有避障功能和定高度懸浮性能，通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)快遞信息的送達(dá)，使得配送服務(wù)人員與快遞收貨人之間得以順利溝通。

1 快遞用無人機(jī)方案設(shè)計(jì)

1.1 飛行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

固定翼與旋翼的選擇：

1）固定翼無人機(jī)特點(diǎn)，起飛距離長(zhǎng)，城市內(nèi)難以找到合適的起飛、降落地點(diǎn)，飛行時(shí)有最低速度限制，不適合在復(fù)雜的城市建筑中飛行，運(yùn)載空間狹小，不適合外賣的運(yùn)輸；

2）多旋翼無人機(jī)特點(diǎn)， 續(xù)航能力差，電池需要充電時(shí)間長(zhǎng)，目前的無人機(jī)抗風(fēng)雨能力差，不能在惡劣的風(fēng)雨天氣里派送，現(xiàn)有的無人機(jī)沒有專門的放置快遞的位置，運(yùn)輸物品時(shí)容易傾倒，在運(yùn)輸中易出現(xiàn)物品發(fā)熱或過冷等現(xiàn)象。

無人機(jī)的結(jié)構(gòu)基本組成為地面系統(tǒng)和空中系統(tǒng)，其中地面系統(tǒng)包括地面控制系統(tǒng)，充電電源，空中系統(tǒng)包括無人機(jī)本體，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，傳感器等，如圖1所示。

電力驅(qū)動(dòng)無人機(jī)和傳統(tǒng)油動(dòng)無人機(jī)相比振動(dòng)小、同時(shí)污染較小，飛行過程比較穩(wěn)定，適合多種飛行模式和各種飛行環(huán)境。電力和油動(dòng)驅(qū)動(dòng)無人機(jī)啟動(dòng)速度快，電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)維修容易，電力驅(qū)動(dòng)噪聲小但是續(xù)航能力較油動(dòng)弱，充電耗時(shí)較長(zhǎng)，載重性較油動(dòng)無人機(jī)差。軍用和民用的航拍、監(jiān)察、環(huán)境勘測(cè)等飛行任務(wù)對(duì)于無人機(jī)的使用已經(jīng)常態(tài)化，目前對(duì)于無人機(jī)的動(dòng)力源研究也是國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的熱點(diǎn)研究對(duì)象。

目前采用傳統(tǒng)蓄電池的電動(dòng)無人機(jī)與油動(dòng)無人機(jī)共同的缺點(diǎn)就是續(xù)航時(shí)間有限、載荷量低，動(dòng)力源更換和補(bǔ)充時(shí)間長(zhǎng)，因而導(dǎo)致該類無人機(jī)的應(yīng)用受到限制。隨著新型能源如太陽能電池、燃料電池的發(fā)展，以及航空蓄電池能量密度的不斷提高?？爝f無人機(jī)的載運(yùn)重量設(shè)定為5kg，選用氫能作為動(dòng)力燃料，避免鋰電池作為動(dòng)力的續(xù)航時(shí)間不足，氫能作為可以再生能源對(duì)環(huán)境無影響，低碳環(huán)保，而且氫能燃料的添加時(shí)間較快，比鋰電池的充電效率高解決小型低空電動(dòng)無人機(jī)長(zhǎng)航時(shí)問題，考慮到快遞無人機(jī)工作環(huán)境，在日照不足的條件下利用太陽能動(dòng)力會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)航程不穩(wěn)定，因此快遞無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)不考慮采用太陽能動(dòng)力源。

1.2 功率匹配

根據(jù)推力、速度的計(jì)算關(guān)系，無人機(jī)保持勻速飛行狀態(tài)下的功率為：

Plev為無人機(jī)勻速飛行的需用功率；F為牽引力；v為勻速飛行速度；m為額定重量；CD為空氣阻力系數(shù)；CL為空氣升力系數(shù)；g為重力加速度；ρ為空氣密度；S為機(jī)翼參考面積。

其中旋翼產(chǎn)生的力矩被定子產(chǎn)生的扭矩抵消； 懸停狀態(tài)下相對(duì)空速很低使得飛行器相對(duì)于空氣的相對(duì)速度產(chǎn)生的氣動(dòng)力很小并可以被忽略，最終得到四旋翼無人機(jī)所受力與力矩的公式：

T（Ω）為向上的提升力，式中Ω為旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速； X、Y、Z 分別為縱向力、橫向力、垂向力；θ無人機(jī)傾斜上升時(shí)的角度； Q、S、v、h 分別是旋翼滑流的動(dòng)壓、操縱舵的面積、操縱舵氣動(dòng)焦點(diǎn)到 xy 平面的垂直距離、操縱舵氣動(dòng)焦點(diǎn)到 z 軸的距離。CL 為操縱舵的升力系數(shù)，阻力系數(shù)因?yàn)橄鄬?duì)很小被忽略。

2 快遞用無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

快遞無人機(jī)需配置容納氫氣罐，根據(jù)四旋翼的結(jié)構(gòu)，將燃料氫氣罐布置在整個(gè)機(jī)身頂部，同事需要滿足空氣動(dòng)力要求，設(shè)計(jì)燃料罐的大小和重量要考慮機(jī)翼的提升力額度，借鑒相關(guān)無人機(jī)從以下幾個(gè)方案加以設(shè)計(jì)：

1）機(jī)翼采用四旋翼，用桁架結(jié)構(gòu)與機(jī)身連接固定，保證機(jī)身空間位置充足，可以合理布置燃料電池；

2）電機(jī)采用防雨電機(jī)，電機(jī)下方布置排水孔，遇到雨雪天氣，保證無人機(jī)正常飛行，不至于增加負(fù)重；

3）機(jī)身整體采用防輻射材料，和疏水涂層，防止高空中輻射高溫，影響無人機(jī)飛行與控制系統(tǒng)正常工作，以及機(jī)身粘水增加負(fù)載。

快遞無人機(jī)的三維模型方案如圖 2 所示。

采用本文的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)適合的翼展，對(duì)氫能能力進(jìn)行計(jì)算，燃料加滿體積為5L，可以滿足載貨量的要求，為保證強(qiáng)度。設(shè)計(jì)無人機(jī)臂展桁架的長(zhǎng)度為800mm，儲(chǔ)物箱大小為800×800mm，儲(chǔ)物箱為三層設(shè)計(jì)，其具有固定和保溫功能，同時(shí)適用于食品的運(yùn)輸，儲(chǔ)物箱配有密碼鎖，可以通過發(fā)送短信驗(yàn)證給收貨人的方式，對(duì)貨物安全加以保證。

無人機(jī)旋翼采用防水電機(jī)，風(fēng)扇和電樞中有兩個(gè)防水軸承，避免大量的雨水進(jìn)入；電樞使用較厚的漆包線，在一定進(jìn)入少量的水時(shí)依然可以保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)；電樞下有一個(gè)散熱風(fēng)扇，通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生風(fēng)源，通過軸承托盤和電機(jī)外殼的通風(fēng)口產(chǎn)生氣體循環(huán)，借此帶走多余的熱量和進(jìn)水的水氣，達(dá)到散熱和干燥的目的；電機(jī)外殼的通風(fēng)口處采用屋檐形狀的設(shè)計(jì)，保證無人機(jī)在飛行時(shí)雨水不會(huì)通過電機(jī)外殼的通風(fēng)口進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部。無人機(jī)機(jī)體和送餐柜表面涂有杜邦產(chǎn)的 Teflon AF疏水涂層，減小表面與雨水的粘性，保證飛行時(shí)雨水可以順利地落入空中。

另外無人機(jī)裝有導(dǎo)航裝置和視頻傳輸裝置，方便控制者遠(yuǎn)程監(jiān)督無人機(jī)的配送情況。如圖3所示為軸承托盤的正視圖，圖中托盤上面打滿排水孔，能夠有效的排除下雨天雨水的沉積作用，為無人機(jī)運(yùn)行減重。

雖然四旋翼無人機(jī)能夠基本滿足快遞行業(yè)的使用要求，但是現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案仍然存在很多不足，在技術(shù)方案上面還是需要繼續(xù)改進(jìn)，主要可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

1）四旋翼無人機(jī)的飛行平穩(wěn)性，無人機(jī)需要低空飛行，面多諸多障礙物或者臨時(shí)突發(fā)情況，如何保證無人機(jī)通信不能干擾。

2）負(fù)載變化是隨機(jī)的，當(dāng)發(fā)生上貨卸貨時(shí)，無人機(jī)負(fù)載會(huì)頻繁發(fā)生變化，在設(shè)計(jì)時(shí)還不能考慮到其他力產(chǎn)生的擾動(dòng)。

3）研究人員未來可以通過改善四旋翼無人機(jī)的懸停和著陸技術(shù)，也可以加大無人機(jī)的飛行視野，對(duì)存儲(chǔ)盒進(jìn)行改進(jìn)，減輕無人機(jī)的載重等。研究人員提出，增加一個(gè)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)能夠讓機(jī)器人追蹤它的獵物，并且使用機(jī)載攝像機(jī)收集到數(shù)據(jù)在飛行中做出調(diào)整。相信新一代設(shè)計(jì)的無人機(jī)可以更準(zhǔn)確和穩(wěn)定的飛行，甚至在將來可以實(shí)現(xiàn)隱形等功能。

3 結(jié)語

本文在比對(duì)了各種動(dòng)力源的基礎(chǔ)上，比較了油動(dòng)，電動(dòng)，氫能動(dòng)力系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種四旋翼的快遞無人機(jī)機(jī)型，利用三維建模給出了設(shè)計(jì)后的基本模型，提出了一種全新的設(shè)計(jì)方案。針對(duì)無人機(jī)在快遞領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)行了初步的分析和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。 采用無人機(jī)進(jìn)行快遞行業(yè)的配送能節(jié)約較大的人力成品，降低運(yùn)營(yíng)成本，提高配送效率。隨著服務(wù)行業(yè)越來越多的技術(shù)更新，無人機(jī)等新興高技術(shù)產(chǎn)品會(huì)在不久的將來充當(dāng)各個(gè)行業(yè)的生力軍，現(xiàn)對(duì)快遞無人機(jī)的設(shè)計(jì)與研發(fā)，不斷提升無人機(jī)的創(chuàng)新功能，必將促進(jìn)社會(huì)的進(jìn)步發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：陳鑫（1988），男，湖北武漢人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)，工業(yè)機(jī)器人。