共軸雙旋翼結(jié)構(gòu)在多旋翼無(wú)人機(jī)教學(xué)活動(dòng)中的應(yīng)用分析

劉志軍 趙文藝 魏亮 張麗

摘 要 引用共軸雙旋翼模型分析上、下旋翼尾渦相互影響及干擾情況，論證上、下旋翼距離和上、下旋翼安裝角對(duì)無(wú)人機(jī)雙旋翼性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，受上旋翼下洗流影響，共軸旋翼間的氣動(dòng)干擾使下旋翼拉力減小比上旋翼拉力減小程度大，下旋翼的最佳安裝角遠(yuǎn)大于單旋翼最佳安裝角；上、下旋翼安裝角相同情況下，共軸雙旋翼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大拉力略小于單旋翼最大拉力的兩倍，但在外形尺寸基本固定情況下，共軸雙旋翼結(jié)構(gòu)可將無(wú)人機(jī)載重量提升近一倍。在高校多旋翼無(wú)人機(jī)教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中，可以采用共軸雙旋翼結(jié)構(gòu)解決無(wú)人機(jī)載重和尺寸的矛盾。

關(guān)鍵詞 多旋翼無(wú)人機(jī)；共軸雙旋翼；安裝角；實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）04-0030-03

Abstract In this paper， we quote a coaxial dual rotor model to research the vortex interaction and interference of the propeller blades. We will proof the influence of the rotor distance and the rotor installa-tion angle to the UAV. The study found that the effects of rotor down-wash flow， coaxial rotor aerodynamic interference between the rotor thrust the decrease degree is larger than the upper rotor tension de-creases， the best installation angle of rotor is far greater than the best single rotor installation angle； on the rotor angle under the same con-ditions， two times the maximum tension of coaxial rotor structure is slightly smaller than the single rotor maximum force， but in the di-mensions of basic fixed， coaxial dual rotor structure the UAV payload upgrade Nearly double. In the practice of multi rotor UAV teaching， the coaxial double rotor structure can be used to solve the contradic-tion between the load and the size of the UAV.

Key words rotor UAV； coaxial double rotor； installation angle； ex-periment

1 概述

早在1914年的一戰(zhàn)初期，英國(guó)的卡德?tīng)柡推で袪杻晌粚④娋吞嶙h研制一種無(wú)人駕駛空中炸彈，可以自行飛到目標(biāo)上空消滅敵人，然而實(shí)驗(yàn)多次均以失敗告終。1917年，伴隨著第一臺(tái)自動(dòng)陀螺穩(wěn)定儀的誕生，美國(guó)通用公司設(shè)計(jì)的“凱特靈小飛蟲(chóng)（Kettering Bug）”問(wèn)世，但無(wú)法做到遙控控制。1935年，英國(guó)研制的“蜂后”式無(wú)人機(jī)成為近現(xiàn)代無(wú)人機(jī)歷史上的“開(kāi)山鼻祖”，它的問(wèn)世標(biāo)志著無(wú)人機(jī)時(shí)代的真正開(kāi)始。隨后無(wú)人機(jī)被運(yùn)用于各大戰(zhàn)場(chǎng)，執(zhí)行偵察任務(wù)。然而由于傳感器、微控制器等技術(shù)的發(fā)展不是很成熟，飛行器的姿態(tài)檢測(cè)和控制受到局限，無(wú)法出色完成任務(wù)，因此逐步受到冷落。

1982年，以色列首創(chuàng)無(wú)人機(jī)與有人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)，無(wú)人機(jī)才重回大家的視線。而無(wú)人機(jī)在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中大放異彩，也引起各國(guó)軍事高層的重視，開(kāi)啟了無(wú)人機(jī)真正的發(fā)展之路，世界各國(guó)的無(wú)人機(jī)出現(xiàn)百家爭(zhēng)鳴的高速發(fā)展期。隨后用于民用的無(wú)人機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，多旋翼無(wú)人機(jī)以其出色的便攜性、安全性、穩(wěn)定性和應(yīng)用廣泛性，成為現(xiàn)代無(wú)人機(jī)大家族不可或缺的成員，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力巡檢、電纜架設(shè)、農(nóng)業(yè)植保、農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)、環(huán)境保護(hù)、影視航拍、領(lǐng)土確權(quán)、災(zāi)情勘察、災(zāi)情救援、快遞物流、警用搜索等諸多領(lǐng)域。

許多學(xué)校開(kāi)設(shè)了多旋翼無(wú)人機(jī)相關(guān)課程，在解決多旋翼無(wú)人機(jī)外形尺寸和自身載重量之間矛盾時(shí)遇到困難。本文探討在盡量不增加多旋翼無(wú)人機(jī)外形尺寸的情況下，采用共軸雙旋翼的方式提高無(wú)人機(jī)載重量，為多旋翼無(wú)人機(jī)教學(xué)活動(dòng)提供參考。

2 多旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)

民用多旋翼無(wú)人機(jī)主要系統(tǒng)包括機(jī)架、遙控系統(tǒng)、飛行控制器、傳感器、電源系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等。

機(jī)架是指無(wú)人機(jī)的承載平臺(tái)，所有設(shè)備都需要用機(jī)架承載起來(lái)飛上天。現(xiàn)在常見(jiàn)的多旋翼無(wú)人機(jī)，機(jī)架的組成基本大同小異，主要由中心板、力臂、腳架組成。常見(jiàn)的以3、4、6、8軸為主，軸數(shù)越多、螺旋槳越多，機(jī)架的負(fù)載就越大，相對(duì)地，結(jié)構(gòu)也就變得越復(fù)雜、軸距越大。

遙控系統(tǒng)是操作者與無(wú)人機(jī)進(jìn)行交流的平臺(tái)，操作者的指令都需要經(jīng)過(guò)遙控系統(tǒng)傳遞到無(wú)人機(jī)上。目前，民用多旋翼無(wú)人機(jī)的控制主要有遙控器控制和地面站控制兩種方式。遙控器控制多用于目視范圍內(nèi)的無(wú)人機(jī)控制，特點(diǎn)是能夠直觀看到無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)和飛行位置；地面站控制多用于目視范圍外的無(wú)人機(jī)的控制，特點(diǎn)是能夠在看不到無(wú)人機(jī)的情況下，通過(guò)數(shù)傳系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的方位、高度、姿態(tài)等參數(shù)，可以使無(wú)人機(jī)按照預(yù)先設(shè)定好的路線執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，并在完成任務(wù)后自動(dòng)返航、降落。

飛行控制器，簡(jiǎn)稱飛控，是無(wú)人機(jī)的“大腦”，負(fù)責(zé)將操作者的控制信息和各類(lèi)傳感器的信息進(jìn)行比較、計(jì)算，然后將相應(yīng)的控制指令發(fā)送給動(dòng)力系統(tǒng)，保證無(wú)人機(jī)能夠按照操作者的意志穩(wěn)定飛行。

傳感器是無(wú)人機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，可以監(jiān)控?zé)o人機(jī)的高度、速度、方位、加速度、姿態(tài)等信息，并同時(shí)將信息傳遞給飛控和操作者，為飛行控制提供參考。一般情況下在飛控內(nèi)部會(huì)集成一些加速度傳感器、氣壓傳感器、陀螺儀等傳感器，在需要精度提高或?qū)崿F(xiàn)其他功能的時(shí)候，可以加裝GPS、光流、聲吶、無(wú)線電羅盤(pán)等外部傳感器。

電源系統(tǒng)，相當(dāng)于人類(lèi)的心臟，為整個(gè)無(wú)人機(jī)提供穩(wěn)定能源，一般由電池、分線板、電壓電流監(jiān)控器等組成?，F(xiàn)時(shí)無(wú)人機(jī)的電池以鋰聚合物電池為主，特點(diǎn)是能量密度大、重量輕、耐電流數(shù)值較高。

動(dòng)力系統(tǒng)主要包含電機(jī)、電調(diào)、螺旋槳等。多旋翼無(wú)人機(jī)的電機(jī)以無(wú)刷電機(jī)為主。電機(jī)固定在機(jī)架力臂的電機(jī)座上，通過(guò)帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力。

任務(wù)系統(tǒng)主要包含云臺(tái)、相機(jī)、雷達(dá)等。云臺(tái)主要由無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在水平、橫滾、俯仰三個(gè)軸向?qū)ο鄼C(jī)進(jìn)行增穩(wěn)，不同等級(jí)的云臺(tái)可以搭載不同的相機(jī)。

輔助系統(tǒng)主要指提高飛機(jī)其他性能的輔助功能，包括燈光、煙霧發(fā)生器、彩帶、可收放起落架等裝置，可以用于目視范圍內(nèi)更好地辨別無(wú)人機(jī)姿態(tài)或提高任務(wù)完成質(zhì)量。

3 共軸雙旋翼性能分析

通過(guò)分析多旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)，不難發(fā)現(xiàn)要提高無(wú)人機(jī)的載重量，主要可以采用增加電機(jī)轉(zhuǎn)速、增加槳葉數(shù)量、增加槳葉長(zhǎng)度、增大槳葉安裝角、增加螺旋槳數(shù)量等方法。本文重點(diǎn)分析在保持機(jī)架尺寸不變的情況下，通過(guò)共軸雙旋翼布局，增加螺旋槳數(shù)量，提高無(wú)人機(jī)載重量的方法。

共軸雙旋翼模型[1] 日本在20世紀(jì)70年代末進(jìn)行共軸雙旋翼試驗(yàn)，用雙層兩槳葉旋翼模型，建立共軸雙旋翼模型。通過(guò)該模型得出在不同的槳葉總距角的情況下，對(duì)其進(jìn)行一系列的懸停非定常計(jì)算，得到拉力系數(shù)（Ct）和扭矩系數(shù)（Cq）之間的關(guān)系曲線，并且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（圖1），兩者基本吻合。

在同一扭矩下，上旋翼的拉力比下旋翼的大，主要是由于兩層旋翼之間產(chǎn)生氣動(dòng)干擾。對(duì)于下旋翼，由于上旋翼尾渦直接穿過(guò)下旋翼而進(jìn)入下旋翼尾渦中，其下洗實(shí)際是兩個(gè)旋翼共同作用的結(jié)果，使槳葉的有效安裝角減小，所以表現(xiàn)為拉力系數(shù)明顯下降。

上下旋翼之間的距離變化對(duì)雙旋翼性能的影響[2] 為了研究上下旋翼之間的距離變化對(duì)雙旋翼性能的影響，引用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總距角為8°，對(duì)H=1.5d和H=d的情況進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，兩旋翼距離增大，使得上旋翼拉力系數(shù)增加，下旋翼拉力系數(shù)減小，總拉力系數(shù)減小，說(shuō)明下旋翼對(duì)上旋翼的干擾減弱，而上旋翼對(duì)下旋翼的干擾卻有所增強(qiáng)，整體拉力性能略微下降。

上下旋翼安裝角對(duì)雙旋翼性能的影響[3] 引用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，上旋翼最佳安裝角應(yīng)該在8.5°～10°之間，見(jiàn)表2。

固定上旋翼安裝角8.5°，隨著下旋翼安裝角增大，總拉力逐漸增大。實(shí)驗(yàn)中下旋翼可能尚未達(dá)到最佳安裝角，但此時(shí)雙旋翼的最大拉力已大于單旋翼最大拉力兩倍（圖2）。

4 結(jié)論

1）相比于單旋翼，共軸雙旋翼結(jié)構(gòu)的上、下旋翼的拉力系數(shù)均要小一些，尤其是下旋翼的值更小，說(shuō)明雙旋翼間的干擾使得兩者拉力性能下降，且下旋翼的下降幅度更大一些。

2）雙旋翼的相互干擾使得下旋翼處的下洗速度比單旋翼的要大得多，而上旋翼的下洗速度比單旋翼的略大一些，幾乎相同。

3）雙旋翼之間距離增加，則上旋翼拉力系數(shù)增加，下旋翼拉力系數(shù)減小，總拉力系數(shù)減小。

4）在上旋翼安裝角固定情況下，下旋翼對(duì)上旋翼的干擾使其拉力稍有下降，但影響因素較小。由于下旋翼處在強(qiáng)烈的下洗當(dāng)中，使得下旋翼有效安裝角減小，下洗使得其最佳安裝角變大。在該最佳安裝角下（可能大于20°），下旋翼產(chǎn)生的最大拉力大于單旋翼在最佳安裝角（8.5°）時(shí)的最大拉力。此時(shí)在轉(zhuǎn)速相同的情況下，雙旋翼產(chǎn)生的最大拉力大于兩個(gè)單旋翼最大拉力之和，需要重新設(shè)計(jì)螺旋槳。而對(duì)于拉力要求不是非常苛刻的使用者，實(shí)際意義不大。

綜上所述，共軸雙旋翼結(jié)構(gòu)雖然無(wú)法達(dá)到獨(dú)立的雙螺旋槳產(chǎn)生的拉力之和，甚至有小幅下降，但能夠明顯減小無(wú)人機(jī)外形尺寸。對(duì)于外形尺寸基本固定的多旋翼無(wú)人機(jī)，采用共軸雙旋翼結(jié)構(gòu)，可將無(wú)人機(jī)載重量提升近一倍。在多旋翼無(wú)人機(jī)教學(xué)指導(dǎo)過(guò)程中，可以參考本文分析，權(quán)衡無(wú)人機(jī)尺寸與載重量的關(guān)系，合理采用旋翼安裝結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

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