多用途固定翼無人機(jī)及其遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)研究

鐘建衛(wèi)+李林+呂償+李建鑫+盧明輝+李廣湖

摘 要：本研究項(xiàng)目設(shè)計(jì)的無人機(jī)系統(tǒng)可遠(yuǎn)距離長(zhǎng)時(shí)間的作業(yè)，可在農(nóng)業(yè)、運(yùn)輸、軍事、勘探、災(zāi)難救援等領(lǐng)域應(yīng)用。本無人機(jī)系統(tǒng)由長(zhǎng)航時(shí)固定翼無人機(jī)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及遠(yuǎn)程圖像傳輸系統(tǒng)組成。長(zhǎng)航時(shí)固定翼無人機(jī)選用了EPPLER 67翼型，此翼型在迎角5.5°時(shí)，升阻比為97.5046、續(xù)航因子為100.5196，使用222WAh的電池實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)90分鐘的續(xù)航時(shí)間。無人機(jī)系統(tǒng)使用基于433MHz無線電頻率的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和基于1.4GHz無線電頻率的遠(yuǎn)程圖像傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制功能。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)航時(shí)；固定翼無人機(jī)；遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)；遠(yuǎn)程圖像傳輸系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

多旋翼無人機(jī)是依靠多個(gè)旋翼產(chǎn)生的升力來平衡飛行器的重力，讓飛行器飛起來，通過改變每個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速來控制飛行器的平穩(wěn)和姿態(tài)。固定翼無人機(jī)靠螺旋槳或者渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力作為飛機(jī)向前飛行的動(dòng)力，主要的升力來自機(jī)翼與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。平衡固定翼無人機(jī)重力的主要是機(jī)翼與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的升力，節(jié)省更多的能源以維持固定翼無人機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間飛行作業(yè)。

1 無人機(jī)系統(tǒng)

本項(xiàng)目的無人機(jī)系統(tǒng)由長(zhǎng)航時(shí)固定翼無人機(jī)機(jī)體、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及遠(yuǎn)程圖像傳輸系統(tǒng)組成。長(zhǎng)航時(shí)固定翼無人機(jī)機(jī)翼布局采用上單翼布局，尾翼布局采用“V”形尾翼布局。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程圖像傳輸系統(tǒng)分別是基于433MHz無線電頻率和1.4GHz無線電頻率實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程圖像傳輸?shù)墓δ堋?/p>

2 長(zhǎng)航時(shí)固定翼無人機(jī)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)航時(shí)固定翼無人機(jī)的主要技術(shù)難點(diǎn)在于怎么在有限的能源下獲得更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。主要的方式是增加飛機(jī)的升力降低阻力以增加續(xù)航時(shí)間。影響續(xù)航時(shí)間的主要因素是展弦比A、后掠角Λ和升阻比K。

圖1是長(zhǎng)航時(shí)固定翼無人機(jī)三維建模模型，機(jī)翼布局采用上單翼布局，在空氣動(dòng)力學(xué)方面，上單翼布局是高升阻比的構(gòu)型。上單翼最重要的特點(diǎn)還在于飛機(jī)重心在機(jī)翼下方，飛機(jī)具有自動(dòng)恢復(fù)的飛行姿態(tài)穩(wěn)定性。尾翼布局采用“V”形尾翼布局，V形尾翼能提高螺旋槳驅(qū)動(dòng)飛機(jī)飛行的速度，“V”形尾翼較普通尾翼，減少了尾翼部件的總數(shù)，減小干擾阻力，并且V形尾翼具有加工量小的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 機(jī)翼設(shè)計(jì)

長(zhǎng)航時(shí)固定翼無人機(jī)追求高氣動(dòng)效率。展弦比A、后掠角Λ和尖削比λ是機(jī)翼氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)的三個(gè)重要參數(shù)。

2.1.1 展弦比A

機(jī)翼展弦比A隨著機(jī)翼升力線斜率的增大而增加，最大升力值和升阻比也隨之增加，升致阻力隨之減小。展弦比越大，對(duì)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)要求也越高，并且為了本無人機(jī)可以隨身攜帶，展弦比A取15 。

2.1.2 后掠角Λ

升力線斜率隨著機(jī)翼后掠角Λ增加而減小。本項(xiàng)目的無人機(jī)要求盡可能得到大的升阻比，所以應(yīng)選取的較小的機(jī)翼后掠角。通過計(jì)算，后掠角Λ=1.7°。

2.1.3 尖削比λ

尖削比λ太大會(huì)導(dǎo)致誘導(dǎo)阻力增加， 太小則加速翼尖氣流分離。尖削比主要影響的是機(jī)翼升力的展向分布。一般低速飛機(jī)機(jī)翼的尖削比在0.4～0.5的范圍內(nèi)取值。尖削比λ取0.5。

圖2為右側(cè)機(jī)翼骨架的三維建模。機(jī)翼總面積S=60dm?，無負(fù)重翼載荷Lw=33.3g/dm?，負(fù)載兩公斤翼載荷Lw=66.6g/dm?，翼根弦長(zhǎng)Cr=2.667dm和翼尖弦長(zhǎng)Ct=133.5dm。在升力足夠的情況下，極大地減少無人機(jī)的阻力，增加升阻比以增加續(xù)航時(shí)間。

2.2 翼型選擇

機(jī)翼是飛機(jī)升力的主要來源，而翼型是影響機(jī)翼氣動(dòng)特性的一個(gè)重要因素。

翼型的選擇直接決定著機(jī)翼升力系數(shù)的大小、飛行品質(zhì)和機(jī)翼阻力。長(zhǎng)航時(shí)固定翼無人機(jī)的翼型應(yīng)選取高升阻比的翼型，其次考慮升力高的翼型讓無人機(jī)可以負(fù)載更多重量。通過對(duì)比從翼型庫里挑選的5種翼型，最終選取EPPLER 67作為本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的無人機(jī)的翼型。

圖3是升阻比與機(jī)翼迎角的關(guān)系。在飛行高度100m，飛行速度60km/h和機(jī)翼平均弦長(zhǎng)207.43mm時(shí)，流體流動(dòng)雷諾數(shù)Re=23400。由圖可知，翼型Eppler 67的升阻比均高于其他4個(gè)翼型，并以較小的機(jī)翼安裝角達(dá)到最大的升阻比。

2.3 機(jī)身參數(shù)設(shè)計(jì)

為了達(dá)到其視距外長(zhǎng)航時(shí)作業(yè)多用途化，通過增加機(jī)身容量為后期增設(shè)作業(yè)設(shè)備留空間。保證大容量的機(jī)身下，對(duì)機(jī)身流線型化，減小機(jī)身的阻力系數(shù)，提高氣動(dòng)效率。機(jī)身主要參數(shù)見表1。

2.4 尾翼設(shè)計(jì)

尾翼采用新型“V”型尾翼布局，由于目前的大量計(jì)算主要是針對(duì)單獨(dú)的垂直尾翼和水平尾翼，因此，先分別通過尾容量系數(shù)法計(jì)算垂直尾翼和水平尾翼的面積再折算到“V”型尾翼的面積。計(jì)算結(jié)果見表2。

3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及遠(yuǎn)程圖像傳輸系統(tǒng)框架

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程圖像傳輸系統(tǒng)是兩個(gè)彼此獨(dú)立的系統(tǒng)，但遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)要依靠遠(yuǎn)程圖像傳輸系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)進(jìn)行控制。傳播損耗隨著無線電的頻率降低而減小，覆蓋距離和繞射能力隨著無線電頻率的降低變遠(yuǎn)變強(qiáng)。兩個(gè)或以上設(shè)備同時(shí)使用無線電通信時(shí)，頻率非常接近，會(huì)干擾兩個(gè)設(shè)備之間的正常通信。因此，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)使用433MHz無線電頻率進(jìn)行控制，遠(yuǎn)程圖像傳輸系統(tǒng)使用1.4GHz無線電頻率進(jìn)行傳輸圖像，這兩個(gè)頻段都是我們國家的免申請(qǐng)段發(fā)射接收頻率。

圖4是遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程圖像傳輸系統(tǒng)總體框架。無人機(jī)端由控制信號(hào)接收天線、控制信號(hào)接收器、圖像信號(hào)發(fā)射天線、圖像發(fā)射器、飛行控制器、無人機(jī)執(zhí)行各動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及攝像頭組成。地面端由2.4GHz遙控器，2.4GHz頻率轉(zhuǎn)433MHz頻率模塊，控制信號(hào)發(fā)射模塊，圖傳信號(hào)定向接收天線，圖傳信號(hào)接收器以及顯示器組成。人們控制遙控器發(fā)出控制信號(hào)，由433MHz轉(zhuǎn)化模塊轉(zhuǎn)化成433MHz頻率并由信號(hào)發(fā)射天線發(fā)射控制信號(hào)，由信號(hào)接收天線接收發(fā)射天線發(fā)出的信號(hào)并傳輸至接收器處理，飛行控制器根據(jù)信號(hào)控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。攝像頭將所采集的圖像信息傳輸至飛行控制器，由飛行控制器疊加無人機(jī)的飛行狀態(tài)信息并發(fā)送給圖像發(fā)射器處理，通過圖像信號(hào)發(fā)射天線傳輸至地面端，圖像信號(hào)定向接收天線將接收到的圖像信號(hào)傳輸至圖像接收器處理并交由顯示器顯示圖像。endprint

3.1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)基于433MHz無線電頻率對(duì)無人機(jī)進(jìn)行控制作業(yè)，市面上的無人機(jī)遙控器普遍是2.4GHz頻率，但功率低，可控制距離小。對(duì)此，將2.4GHz頻率轉(zhuǎn)化成433MHz頻率并傳輸至無人機(jī)端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)接收控制信號(hào)端的天線必須是全向天線，如果在接收天線上的饋線上增加兩根對(duì)稱布置的地線可以增加信號(hào)接收的穩(wěn)定性，進(jìn)一步增加控制距離。

3.2 遠(yuǎn)程圖像傳輸系統(tǒng)

遠(yuǎn)程圖像傳輸系統(tǒng)基于1.4GHz無線電頻率對(duì)無人機(jī)端的圖像進(jìn)行傳輸至地面端。地面端是可以人為操縱的，將原本的全向天線換成僅對(duì)一個(gè)方向接收?qǐng)D像信號(hào)的定向天線，增加其對(duì)一個(gè)特定的方向的信號(hào)增益。

4 固定翼無人機(jī)及其遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的無人機(jī)的續(xù)航能力，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的最大控制距離和遠(yuǎn)程圖像傳輸系統(tǒng)的最大圖像傳輸距離。測(cè)試結(jié)果表明，本項(xiàng)目固定翼無人機(jī)擁有長(zhǎng)達(dá)90分鐘的續(xù)航能力，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程圖像傳輸系統(tǒng)的最大距離也非?？捎^，實(shí)驗(yàn)距離長(zhǎng)達(dá)20km并且信號(hào)在70%以上。在信號(hào)傳輸延遲方面，延遲很低，并不影響無人機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)航時(shí)視距外作業(yè)。

表3是本項(xiàng)目的無人機(jī)與DJI Phantom 4 Pro的續(xù)航時(shí)間對(duì)比，本項(xiàng)目所使用的電池是222Wh，而DJI Phantom 4 Pro所使用的電池能量是89.2Wh。

表4是各產(chǎn)品的可控制距離。Futaba 14 SG也正是本項(xiàng)目所使用的遙控器，通過增設(shè)433MHz無線電轉(zhuǎn)化模塊增加控制距離。

表5是各產(chǎn)品的圖像可傳輸距離。5.8GHz aomway （1W） 是市場(chǎng)上熱銷的一款5.8GHz頻率的圖像傳輸系統(tǒng)，搭配原廠生產(chǎn)的全向天線僅可以傳輸3km。

結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的適用于視距外長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)的多用途固定翼無人機(jī)及其遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，較多旋翼無人機(jī)，本項(xiàng)目無人機(jī)可長(zhǎng)達(dá)90分鐘不間斷地處于20km外的超視距作業(yè)，避免了煩瑣的多次起降和解決盤旋半徑小的限制。今后，在固定翼無人機(jī)作業(yè)時(shí)，面對(duì)人工難以檢查作業(yè)的工作，都可以交由固定翼無人機(jī)負(fù)責(zé)。本項(xiàng)目受廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金資助，作品編號(hào)：pdjh2017b0816。

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