一種可行的無人機模塊化設(shè)計

張宗正山東省萊蕪第一中學(xué)

一種可行的無人機模塊化設(shè)計

張宗正
山東省萊蕪第一中學(xué)

隨著無人機應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，對無人機的需求逐漸增加。而其中應(yīng)用較為廣泛的旋翼無人機漸漸難以滿足越來越多的飛行需要。為應(yīng)對多樣化的飛行需求，本文給出了一種可行的設(shè)計方案，并對組合式旋翼無人機的飛行姿態(tài)的控制原理和相關(guān)控制方式做簡要的介紹。

旋翼無人機；模塊化設(shè)計；飛行姿態(tài)控制

一、引言

隨著無人機研究與開發(fā)的不斷進(jìn)步，其應(yīng)用得到了巨大的發(fā)展，尤其是民用無人機近年來更是取得了長足的進(jìn)步。無人機在遙控探測、信息采集、監(jiān)控偵察等多方面均有很多應(yīng)用。復(fù)雜環(huán)境下的多樣要求也催生了對旋翼無人機不同的性能要求。本文從實際應(yīng)用出發(fā)，對無人機系統(tǒng)的模塊化設(shè)計進(jìn)行了探索和改進(jìn)，使旋翼無人機的性能更適用于多樣化的使用需求。

二、傳統(tǒng)四旋翼的飛行動作

對于現(xiàn)如今廣泛應(yīng)用的旋翼無人機，其基本組成模塊包括動力系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，信號傳輸系統(tǒng)等。較為普遍的設(shè)計是將動力系統(tǒng)分布在四周，將控制系統(tǒng)等放置于中心以維持其重心的穩(wěn)定，如圖1、2、3。

圖1 四旋翼

圖2 六旋翼

圖3 八旋翼

在實際應(yīng)用時，無人機有效載荷是一個定值，若增加有效載荷，則不得不更換旋翼或拆除部分設(shè)備，造成了很多不便。

由于現(xiàn)有的旋翼無人機只能通過改變不同位置上豎直方向上力的大小，從而整體改變機身位置和受力方向來改變運動狀態(tài)，靈活性有所限制。以四旋翼為例：

四旋翼飛行器通過調(diào)節(jié)四個電機轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機，但只有四個輸入力，同時卻有六個狀態(tài)輸出，如圖4。

圖4 四旋翼基本飛行狀態(tài)

由于不能提供水平方向的力，增加單個或多個旋翼的升力必然會導(dǎo)致機身整體的偏斜，從而無法完成原地旋轉(zhuǎn)等飛行動作，加之分散式的動力系統(tǒng)將旋翼置于外部，動作機構(gòu)的存在無疑使其連接上的組合空間大大減少。

三、總體設(shè)計和功能

新型無人機的基本原理與直升機大致相同，通過主旋翼將飛機托舉起來，對于每一個單一模塊，其具有旋翼無人機所具有的全部功能，同時還加裝了姿態(tài)傳感器，在多個基本模塊組合時合理分布多個模塊的功能。雙翼直升機的飛行控制主要通過對旋轉(zhuǎn)斜板（swash plate）的控制來實現(xiàn)。

新型無人機的飛行控制原理略有不同。

3.1 機身設(shè)計

為了使無人機具有更為靈活便捷的可擴展性，將動力集中并提供多個方向的接口變得更為合理。新型無人機的單一模塊將主旋翼置于中心，為了避免旋翼旋轉(zhuǎn)所造成的力矩，采用內(nèi)外軸同軸傳動的共速反向旋翼來提供主要動力。高速無刷電機置于主旋翼下端的電機倉內(nèi)。由于主要的動力將來自恒定向下的主旋翼來推動，新型無人機的姿態(tài)控制將全部由四個位于面對角線方向的直立副小旋翼提供，置于同一水平高度，外部由輕便立方體支架包裹，支架金屬本身作為信號天線，主要控制芯片和傳感器置于支架四周，如圖5、6。同時在支架內(nèi)部安放電池，每個支架的中點和頂點放置接口，來完成其豐富的擴展功能。

圖6 結(jié)構(gòu)簡圖（俯視）

圖5 結(jié)構(gòu)簡圖

對于單一模塊，在穩(wěn)定的大氣環(huán)境中，進(jìn)行受力分析：

水平方向上，由于其使用共軸同速傳動系統(tǒng)，兩個旋翼共用一個軸心，其水平方向力矩相互抵消，不存在單旋翼直升機常見的反扭力控制問題，而穩(wěn)定的大氣環(huán)境中沒有水平方向的外力，故受力是平衡的，即在水平方向上可以維持穩(wěn)定的飛行狀態(tài)；

豎直方向上，主要受到支架連接點上載荷的作用力、模塊自身的重力和旋翼能夠產(chǎn)生的升力。

在沒有外力干擾的情況下，豎直方向各力的合力與旋翼的升力共線。當(dāng)升力與其它力的合力大小相同時，該模塊就能實現(xiàn)空中懸停。通過改變旋翼升力就可以實現(xiàn)對模塊本身上升和下降的控制。在這一基礎(chǔ)上，通過對副小旋翼的控制，提供水平的作用力，便可使單一模塊如同現(xiàn)有的無人機一樣，在空中完成各種飛行動作。綜上所述，單一模塊在理想的穩(wěn)定大氣條件下，可以維持穩(wěn)定的飛行姿態(tài)。

在一般的大氣環(huán)境下，外界會對無人機施加多個方向不同大小的力，可以由無人機的核心處理器分析姿態(tài)傳感器的信號，對四個方向的直立風(fēng)扇進(jìn)行轉(zhuǎn)速的微調(diào)，來抵消外界氣流的影響，而且相關(guān)電子控制調(diào)節(jié)芯片已經(jīng)發(fā)展成熟并在現(xiàn)有無人機上得到了廣泛的應(yīng)用。但與傳統(tǒng)無人機不同的是，新型模塊化無人機有著更大的動力分配空間和功能擴展?jié)摿?，更為多樣化的飛行姿態(tài)便可以通過擴展后的模塊組合來實現(xiàn)。

3.2 擴展設(shè)計新型無人機通過對支架的直接鏈接完成模塊的拼裝，連接方式簡單方便。連接由機械接口和信號接口構(gòu)成，機械接口承擔(dān)幾乎所有的機械應(yīng)力。信號接口至于支架中點外側(cè)，機械接口置于支架的頂點處，隨著兩個模塊的結(jié)合便鏈接起來。為便于多個方向鏈接，將接口設(shè)計為同心圓型，即可完成多方向的自由組合與方便可靠的訊息傳輸。

四、可擴展性

每個基本模塊通過簡單的水平連接，便能得到豐富的組合，擴展模塊為了降低自重，可以將控制模塊去除。而若單純提高升力，豎直方向的模塊堆積便可以實現(xiàn)。豎直和水平方向共同組合，更是有著無盡的可能，由于每個基本模塊均具有穩(wěn)定性，通過處理器的整體控制便可實現(xiàn)組合后無人機的穩(wěn)定。典型的應(yīng)用方式包括五聯(lián)裝，十三聯(lián)裝等，以五聯(lián)裝為例，如圖7。

圖7 五聯(lián)裝

中心模塊包含主要的控制模塊，信號處理模塊，同時也能提供升力，負(fù)荷鏈接點位于正方體頂點，盡量避免中心氣流的直接吹拂。五聯(lián)裝版本通過對四個頂角的處理，即可實現(xiàn)水平原位置旋轉(zhuǎn)，為測量和航拍提供了更為便捷的平臺。

五、總結(jié)

當(dāng)今時代下的模塊化設(shè)計應(yīng)用廣泛，在不同領(lǐng)域顯示出強勁的生命力。模塊化設(shè)計既大大豐富了功能，也便于升級換代和維修檢測。在無人機應(yīng)用越來越廣泛的背景下，模塊化的無人機也能幫助人們實現(xiàn)更為豐富的功能。新型無人機不僅可以實現(xiàn)豐富多樣的組合體，適應(yīng)多種不同的環(huán)境，還可以加裝各種新型載荷，滿足各種不同的需要。

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