一款具備90度收放懸掛式三軸增穩(wěn)云臺(tái)的無(wú)人偵察機(jī)

李柯 馮坤輝 王璿清 劉浩楠 唐振國(guó)

摘要：本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一款具備 90度收放懸掛式三軸增穩(wěn)云臺(tái)的無(wú)人偵察機(jī)，該偵察機(jī)的特點(diǎn)在于其三軸增穩(wěn)云臺(tái)和全復(fù)合材料機(jī)身設(shè)計(jì)。懸掛式三軸增穩(wěn)云臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)橫軸90度收放和其他兩軸120度的轉(zhuǎn)向，同時(shí)采用平臺(tái)增穩(wěn)以及集成模塊化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行模塊化更換。而全復(fù)合材料機(jī)身設(shè)計(jì)使無(wú)人偵察機(jī)結(jié)構(gòu)更加輕質(zhì)高強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：90度收放；懸掛式三軸云臺(tái)；無(wú)人偵察機(jī)；全復(fù)合材料機(jī)身

無(wú)人機(jī)機(jī)載攝像機(jī)的成像質(zhì)量很大程度上受到無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)變化的限制。 為了穩(wěn)定機(jī)載相機(jī)的視軸，必須為相機(jī)提供一個(gè)空間穩(wěn)定的慣性平臺(tái)。 穩(wěn)定的云臺(tái)是機(jī)載攝像機(jī)的載體。 由于它可以隔離無(wú)人機(jī)姿態(tài)的變化和機(jī)體振動(dòng)，風(fēng)阻力矩等干擾，逐漸成為高精度航天測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分。 無(wú)人機(jī)體積小，抗風(fēng)能力差，相機(jī)設(shè)備的姿勢(shì)受到無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)和航向變化的影響。 因此，設(shè)計(jì)一個(gè)三軸自由度穩(wěn)定平臺(tái)和輔助無(wú)人偵察機(jī)具有重要意義。

1 研究目標(biāo)

目前我們?cè)谝豢罹邆?0度收放懸掛式三軸增穩(wěn)云臺(tái)的無(wú)人偵察機(jī)的設(shè)計(jì)中有以下目標(biāo)：

（1） 90度收放懸掛式三軸增穩(wěn)云臺(tái)的設(shè)計(jì)，集中體現(xiàn)在三軸的集成配合設(shè)計(jì)，云臺(tái)的整體平臺(tái)增穩(wěn)，集成模塊化可拆卸三個(gè)方面。

（2）常規(guī)布局小型無(wú)人偵察機(jī)的全復(fù)合材料制作，包括各部分的成型。

（3）偵查設(shè)備的搭載。

2 工作基礎(chǔ)

我們已有該項(xiàng)目的前期制作探索和數(shù)據(jù)研究，探索性地制作過(guò)懸掛式三軸增穩(wěn)云臺(tái)。該三軸增穩(wěn)云臺(tái)初步設(shè)想采用集成模塊化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行模塊化更換，具備一定的穩(wěn)定運(yùn)行性能，并為以后整個(gè)飛行器的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

3 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容

云臺(tái)結(jié)構(gòu)：設(shè)計(jì)一個(gè)90度可伸縮懸掛式三軸穩(wěn)定平臺(tái)，可進(jìn)行模塊化拆卸。所謂三自由度是指在三維空間中，物體被三個(gè)方位空間穩(wěn)定控制和定位。由于其自身的結(jié)構(gòu)，雙自由度穩(wěn)定的平移/傾斜具有視覺(jué)死區(qū)。三自由度穩(wěn)定的云臺(tái)具有三個(gè)空間旋轉(zhuǎn)自由度，可以更靈活地解決這個(gè)問(wèn)題，消除視頻監(jiān)控的盲點(diǎn)。從工作原理來(lái)看，三自由度穩(wěn)定頭由三個(gè)空間相互垂直的框架組成。其中，外框負(fù)責(zé)控制攝像頭的偏航運(yùn)動(dòng)，中框負(fù)責(zé)控制攝像頭的滾動(dòng)，內(nèi)框負(fù)責(zé)控制攝像頭的俯仰運(yùn)動(dòng)。穩(wěn)定部分包括外框，中框和內(nèi)框三種空間旋轉(zhuǎn)角度，板上攝像頭安裝在內(nèi)圈中心平臺(tái)上。在無(wú)人機(jī)飛行期間，由于平臺(tái)包含三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，因此可以確保無(wú)人機(jī)無(wú)人機(jī)和無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)的良好隔離。云臺(tái)的各個(gè)框架，外框架和外框架軸線之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系安裝在無(wú)人機(jī)基座上，并且圍繞垂直軸執(zhí)行偏航運(yùn)動(dòng)；中間框架和中間框架軸安裝在外部框架上，并且水平框架水平地滾動(dòng)移動(dòng)；內(nèi)框架和內(nèi)框架軸安裝在中間框架上并圍繞中間框架進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)。

整個(gè)系統(tǒng)由四個(gè)坐標(biāo)系組成：

（1）無(wú)人機(jī)基座坐標(biāo)系；

（2）外框坐標(biāo)系；

（3）中框坐標(biāo)系；

（4）內(nèi)框坐標(biāo)系。

飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)：飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)使用復(fù)合材料，減輕重量，做到輕質(zhì)高強(qiáng)。相較于傳統(tǒng)材料結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料具備大量的優(yōu)良特性，可以大步提高飛機(jī)性能。同時(shí)對(duì)飛機(jī)細(xì)節(jié)調(diào)整，包括全機(jī)身防震等，實(shí)現(xiàn)飛行過(guò)程中的穩(wěn)定飛行，提高實(shí)用價(jià)值。

4 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）懸掛式三軸云臺(tái)的設(shè)計(jì)，相較于傳統(tǒng)兩軸云臺(tái)具有巨大優(yōu)勢(shì)。（2）模塊化的可拆卸設(shè)計(jì)，提高便攜性。（3）全復(fù)合材料的制作工藝，目前設(shè)想采用三層夾心處理。

5 項(xiàng)目研制過(guò)程

本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一款具備 90度收放懸掛式三軸增穩(wěn)云臺(tái)的無(wú)人偵察機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們查閱資料，進(jìn)行了初次設(shè)計(jì)。我們用EPO泡沫材料、層板和碳纖維等，設(shè)計(jì)制作了第一代無(wú)人機(jī)，并開始研究云臺(tái)設(shè)計(jì)。根據(jù)文獻(xiàn)資料上單兵無(wú)人偵察機(jī)經(jīng)驗(yàn)，小型偵察機(jī)如果做到云臺(tái)收放，則最好采用物理增穩(wěn)方式。

由于前期考慮不足，第一代飛機(jī)的機(jī)艙設(shè)計(jì)容量狹窄，導(dǎo)致初代云臺(tái)的第三軸無(wú)法安裝，不能實(shí)現(xiàn)收放。在反復(fù)試驗(yàn)和操作后，我們決定重新設(shè)計(jì)載機(jī)。我們?cè)诜磸?fù)比較當(dāng)今各國(guó)軍用單兵無(wú)人偵察機(jī)的設(shè)計(jì)后，決定仿制洛馬公司設(shè)計(jì)的美軍“沙漠鷹”無(wú)人機(jī)。我們聯(lián)系了一家EPO無(wú)人機(jī)制作廠家，通過(guò)工業(yè)機(jī)器的發(fā)泡成型，成功制作出了無(wú)人機(jī)的公版EPO夾心部分。

6有待改進(jìn)的地方

6.1 翼荷比比較大，導(dǎo)致其不能超低速飛行

通過(guò)對(duì)此機(jī)型的一系列測(cè)量和計(jì)算，此機(jī)型翼荷比和最佳翼荷比仍相差一段距離。初步計(jì)劃采用延長(zhǎng)機(jī)翼的方式來(lái)減小翼荷比。首先通過(guò)profili導(dǎo)出此機(jī)型的翼型，然后通過(guò)激光切割機(jī)來(lái)切合輕木和層板，將機(jī)翼從翼根處延長(zhǎng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)翼的增長(zhǎng)。

同時(shí)減少機(jī)身設(shè)備質(zhì)量，比如使用更高效率的電池，或者優(yōu)化制作工藝，在保證機(jī)身強(qiáng)度的同時(shí)減少環(huán)氧樹脂的使用量。

6.2 起飛成功率不能達(dá)到100%

V型尾翼容易由于操控不當(dāng)失速尾旋，由于無(wú)人機(jī)是人為手拋起飛，因此不可避免地會(huì)有拋擲角過(guò)大，導(dǎo)致仰角過(guò)大失速導(dǎo)致無(wú)法起飛的情況。

7 實(shí)用性調(diào)研

目標(biāo)：進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)民用航空調(diào)查和軍事調(diào)查的應(yīng)用。

無(wú)人機(jī)航空測(cè)量是對(duì)傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量方法的有力補(bǔ)充。它低成本，適用性廣，快速，高效，精確，靈活，生產(chǎn)周期短。它在小區(qū)域和難飛區(qū)域具有高速圖像。獲取具有明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著數(shù)碼相機(jī)技術(shù)和無(wú)人機(jī)的發(fā)展，數(shù)字航空攝影的技術(shù)基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。航空攝影測(cè)量與無(wú)人機(jī)的結(jié)合使得“無(wú)人機(jī)數(shù)字”低空遙感已成為航空遙感的新方向。無(wú)人機(jī)航空攝影可廣泛應(yīng)用于災(zāi)害應(yīng)急處置，新農(nóng)村和小城鎮(zhèn)建設(shè)，資源開發(fā)，土地和土地監(jiān)理，國(guó)家重大工程建設(shè)，尤其在應(yīng)急測(cè)繪數(shù)據(jù)采集，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)土地利用，數(shù)字城市建設(shè)，土地資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)，基礎(chǔ)測(cè)繪等具有廣闊的應(yīng)用前景。

項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：IECAUC2017144）