便攜折疊式民用多功能無(wú)人飛行平臺(tái)的整機(jī)設(shè)計(jì)

李煜+鄒學(xué)書+胡文宇+徐敏+黃毅+苗峰

摘要：本文介紹了一種民用多功能便攜式無(wú)人飛行平臺(tái)的設(shè)計(jì)與制作思路。該飛行器采用了3段式機(jī)翼折疊方式，2段式機(jī)身折疊方式，具備搭載偵測(cè)設(shè)備及傳感器等對(duì)地面及管線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其維護(hù)簡(jiǎn)單，使用方便，成本低廉，可以節(jié)省大量的資源及人力。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；多任務(wù)平臺(tái)；便攜式

中圖分類號(hào)：V279+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）43-0071-03

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用迅速?gòu)能娪眠M(jìn)入了民用。自一開始的軍用“靶機(jī)”到如今的專業(yè)級(jí)商用無(wú)人機(jī)和消費(fèi)級(jí)個(gè)人無(wú)人機(jī)，民用無(wú)人機(jī)迅猛的發(fā)展勢(shì)頭讓一大批諸如大疆、零度指控、極飛科技、億航智能的科技公司受益匪淺。如今我國(guó)的小型無(wú)人機(jī)制造業(yè)已經(jīng)占據(jù)了全球70%以上的份額，但是，涉足民用多功能無(wú)人飛行平臺(tái)這一領(lǐng)域的卻顯得略為冷清。

一、應(yīng)用前景

1.天然氣及石油管道巡查。隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的不斷加強(qiáng)，社會(huì)對(duì)能源的需求在迅速增加。我國(guó)目前已有大量的天然氣及石油管道，這些管道距離長(zhǎng)、跨度大，且絕大部分都是途徑野外，甚至沙漠、沼澤等地。一旦發(fā)生火情或?yàn)?zāi)情，就會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，故急需消防部門具有遠(yuǎn)程、即時(shí)的監(jiān)控能力，機(jī)動(dòng)、快速的撲滅能力。

2.電力巡線。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)能源的需求越來越大，超高壓大容量電力線路正大幅擴(kuò)建。到2020年，中國(guó)將建成15個(gè)特高壓直流輸電工程，并成為世界上擁有直流輸電工程最多、輸送線路最長(zhǎng)、容量最大的國(guó)家。而輸電線路跨區(qū)域分布，點(diǎn)多面廣，所處地形復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣，輸電線路設(shè)備長(zhǎng)期暴露在野外，受到自然侵蝕以及人為因素的影響而產(chǎn)生倒塔、斷股、磨損、腐蝕、舞動(dòng)等現(xiàn)象，這些情況必須及時(shí)得到修復(fù)或更換。而人力巡線費(fèi)時(shí)費(fèi)力，故而無(wú)人機(jī)巡線大有可為。

3.森林防火。當(dāng)發(fā)生森林火災(zāi)，尤其在森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)火場(chǎng)上空能見度低，即使是航護(hù)飛機(jī)能達(dá)到火場(chǎng)上空，觀察員也無(wú)法詳細(xì)觀察到地面火場(chǎng)情況，而在這種情況下飛行又存在著安全隱患。無(wú)人機(jī)能克服航護(hù)飛機(jī)的這一不足，通過搭載攝像設(shè)備和影像傳輸設(shè)備，可隨時(shí)執(zhí)行火警偵查和火場(chǎng)探測(cè)任務(wù)。無(wú)人機(jī)可以全天候地在空中對(duì)林區(qū)進(jìn)行勘查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情、報(bào)告火場(chǎng)位置、采取行動(dòng)將火災(zāi)消滅在初期；無(wú)人機(jī)配備熱敏設(shè)備，按預(yù)定航跡對(duì)林區(qū)進(jìn)行空中巡查。并將空中巡查獲取數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回地面測(cè)控站，地面測(cè)控站將實(shí)時(shí)圖像通過網(wǎng)絡(luò)傳給防火值班部門。對(duì)于可疑點(diǎn)或區(qū)域，通過遙控指令可改變無(wú)人機(jī)飛行航跡及飛行高度進(jìn)行詳查，詳查圖像通過無(wú)線鏈路實(shí)時(shí)傳回地面。對(duì)已出現(xiàn)火情的地區(qū)進(jìn)行空中火情態(tài)勢(shì)觀察，使滅火指揮部門迅速有限組織、部署滅火隊(duì)伍，提高滅火作戰(zhàn)效率，防止救火人員傷亡。

4.邊境巡查。在環(huán)境極其惡劣的邊境地區(qū)，無(wú)人機(jī)能有效地代替邊防士兵進(jìn)行邊境巡邏，減少士兵在惡劣環(huán)境下的作業(yè)時(shí)間，提高邊境巡邏效率。另如在環(huán)境監(jiān)測(cè)、植物保護(hù)、緊急搜救、影視業(yè)、房地產(chǎn)及測(cè)繪等領(lǐng)域有十分廣泛的應(yīng)用前景。

二、試驗(yàn)原型機(jī)

本文所介紹的無(wú)人飛行平臺(tái)是以大容量鋰電池為動(dòng)力的固定翼無(wú)人機(jī)，采用半自主遙控飛行模式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、安全性高。相比傳統(tǒng)的固定翼無(wú)人機(jī)，該機(jī)使用了三段式折疊冀，兩段式折疊機(jī)身，縮小后的體積可以到達(dá)不超過1600MM，便于運(yùn)輸管理。其起飛方式即可滑跑也可手拋，滿足了多種地形的使用需求。該飛行平臺(tái)亦可搭載多型設(shè)備，配合地面站完成多種任務(wù)。

三、整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.對(duì)于翼型的選擇設(shè)計(jì)。因該型無(wú)人機(jī)需搭載較多的監(jiān)測(cè)傳感設(shè)備，且需有一定的巡航留空能力，故而在多方考慮后選擇了低雷諾數(shù)下高升阻比的翼型。我們選取了固定翼較為常見的5種翼型并對(duì)其采用xflr5進(jìn)行比較分析。

原型機(jī)預(yù)計(jì)特征長(zhǎng)度為1600CM，平均弦長(zhǎng)35CM，空載重量為1200G，巡航速度12M/S。簡(jiǎn)單計(jì)算得出其巡航時(shí)雷諾數(shù)約為285000，升力系數(shù)約為0.25。

由圖1可知，當(dāng)迎角在較小范圍內(nèi)，Benedek 10355 B翼型具有較好的升力系數(shù)。當(dāng)迎角超過10°后，Benekek 10355 B其升力系數(shù)達(dá)到最大后開始下降，而CLARK Y翼型則保持較好的升力系數(shù)。這一數(shù)據(jù)說明CLARK Y翼型具有較好的迎角范圍，不容易失速。

由圖2可知，CLARK Y翼型在迎角為10°時(shí)其阻力系數(shù)最小。NACA 009翼型在負(fù)迎角范圍內(nèi)阻力系數(shù)最小。

由圖3可知，在不同迎角下，CLARK Y翼型都具有良好的升阻比。其氣動(dòng)性能經(jīng)過XFLR 5優(yōu)化后可達(dá)到最大升力系數(shù)下限1.0；最大失速迎角>10°?？紤]到較極端天氣下的工作環(huán)境，我們選擇安全性較高的CLARK Y翼型作為我們飛行平臺(tái)的機(jī)翼翼型。

2.對(duì)機(jī)身及機(jī)翼折疊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。折疊機(jī)翼的目的是為了便于運(yùn)輸、攜帶、和管理。國(guó)內(nèi)外近幾年來對(duì)折疊翼飛機(jī)有了許多研究，國(guó)外大多采用“Z型”折疊翼。例如LOVE等介紹了洛克希德·馬丁的變形機(jī)翼飛行器，該飛行器采用了一種“Z型”折疊翼；對(duì)此，Snyder等對(duì)機(jī)翼進(jìn)一步做了振顫和振動(dòng)特性分析，Tang等研究了其氣動(dòng)特性；Wang等對(duì)不同數(shù)量翼面的折疊翼飛機(jī)模型的氣動(dòng)彈性和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)做了相關(guān)研究。但是“Z型”折疊翼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)成本高，所以選用了常規(guī)的三段式兩側(cè)折疊翼的折疊方式。

對(duì)于機(jī)翼的折疊機(jī)構(gòu)，考慮到“Z型”折疊翼的缺點(diǎn)和該無(wú)人飛行平臺(tái)的工作環(huán)境等因素，最后在機(jī)翼下翼面采用了合金彈簧合頁(yè)作為連接，機(jī)翼上翼面采用金屬卡扣作為固定裝置，對(duì)機(jī)翼翼梁用碳纖維環(huán)氧樹脂增強(qiáng)體復(fù)合材料來加固，以確保機(jī)體強(qiáng)度。

對(duì)于機(jī)身折疊機(jī)構(gòu)，在機(jī)腹后端采用金屬卡扣作為固定裝置，機(jī)身背部后端以合金彈簧合頁(yè)作為連接，接觸的兩個(gè)斷面用復(fù)合材料加強(qiáng)，保證機(jī)體強(qiáng)度。

3.對(duì)于控制系統(tǒng)及動(dòng)力系統(tǒng)的選擇。通過多驗(yàn)證原型機(jī)的實(shí)驗(yàn)，搭載設(shè)備后的整機(jī)重量在1.7KG左右。為了保證飛行平臺(tái)的長(zhǎng)航時(shí)和安全可靠，選取了兩個(gè)朗宇X2216，KV1250的無(wú)刷電機(jī)作為動(dòng)力源，其拉力測(cè)試表見表1。

根據(jù)測(cè)試表中的數(shù)據(jù)，為了提高電機(jī)效率，增加巡航航程與留空時(shí)間，選用9050漿，60A銀燕無(wú)刷電子調(diào)速器相搭配作為動(dòng)力輸出組，選用3S 10000mA/H的鋰電池提供動(dòng)力支持；另外還需5顆銀燕9克金屬齒舵機(jī)、與電子接收機(jī)作為傳動(dòng)控制系統(tǒng)；使用PIX飛行控制芯片與地面站配合組成飛行控制系統(tǒng)。

四、整機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)與外形設(shè)計(jì)

首先利用solodworks軟件進(jìn)行整體三維建模，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的有限元計(jì)算。對(duì)于應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及標(biāo)注。然后將solodworks的三維圖形分解為二維平面圖形并打印圖紙，利用aotucad軟件進(jìn)行二維排版并使用大型激光切割機(jī)切割部件。其后按照設(shè)計(jì)圖紙將各個(gè)部件進(jìn)行搭建粘接。搭建粘接的步驟從易到難：從機(jī)尾到機(jī)翼然后到機(jī)身。搭建粘接完畢后對(duì)整機(jī)進(jìn)行打磨蒙皮，安裝電子設(shè)備。最后是折疊機(jī)構(gòu)的安裝與連接。

五、搭載設(shè)備的選擇與安裝

該飛行平臺(tái)可搭載500—1000G的設(shè)備進(jìn)行作業(yè)。安裝高清攝像機(jī)及Amimon CONNEX數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)時(shí)，能在100米的高空對(duì)地面進(jìn)行精確監(jiān)視并實(shí)時(shí)回傳圖像。實(shí)際測(cè)試中，該圖傳設(shè)備在3KM內(nèi)的范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。且該飛行平臺(tái)在不同的任務(wù)需求中，可選擇更換所搭載的設(shè)備進(jìn)行作業(yè)。例如搭載熱敏煙敏設(shè)備進(jìn)行森林防火巡查，搭載紅外設(shè)備進(jìn)行邊境巡查及野外搜救等。

六、實(shí)際測(cè)試

在測(cè)試場(chǎng)地選取不同地形的場(chǎng)地，地面擺放50×50cm的正方形標(biāo)靶，標(biāo)靶上寫有阿拉伯?dāng)?shù)字及字母。在離標(biāo)靶1000米處用無(wú)人機(jī)在百米高空查看地面，可以準(zhǔn)確看到標(biāo)靶上所寫數(shù)字。

七、結(jié)論

本文主要介紹了一種民用的多功能無(wú)人飛行平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路，并從前期論證討論到后期試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)制作以及最后的實(shí)際測(cè)試做了簡(jiǎn)要的論述。無(wú)人機(jī)應(yīng)用前景廣闊，能有效擔(dān)任浪費(fèi)人力資源的一些工作，提高工作效率，節(jié)省資金。其次，對(duì)目前常用的固定翼無(wú)人機(jī)翼型進(jìn)行了分析比較，選出了CLARK Y翼型，但是對(duì)于翼型的優(yōu)化設(shè)計(jì)還有待進(jìn)一步的學(xué)習(xí)提高。最后對(duì)于該飛行平臺(tái)的測(cè)試只是進(jìn)行了不同時(shí)間不同地形的場(chǎng)地測(cè)試，對(duì)于較極端環(huán)境的測(cè)試評(píng)估需要做更多的研究。

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