多旋翼無人飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

于翔，徐洋

（中國人民解放軍61267部隊(duì)，河北 廊坊 065000）

多旋翼無人飛行器是一種體積小、操作簡單、運(yùn)動(dòng)較為靈活的多旋翼無人機(jī)。它不僅僅在自然災(zāi)害，生態(tài)環(huán)境保護(hù)，測繪測量等上有重要的功能，而且還是航拍愛好者的一種娛樂手段。多旋翼無人飛行器在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上也是十分的復(fù)雜，只有進(jìn)一步對多旋翼無人飛行器進(jìn)行研究，找出其實(shí)現(xiàn)原理才能夠?qū)崿F(xiàn)功能的最大化。本文就以多旋翼中的四旋翼無人飛行器為例來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 多旋翼無人飛行器設(shè)計(jì)原則

1.1 設(shè)計(jì)合理

在設(shè)計(jì)無人飛行器的階段時(shí)，需要考慮到兩個(gè)方面，一是飛行器的整體結(jié)構(gòu)需要滿足飛行器的載荷要求，二是飛行器在進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)通常使用中小型汽車進(jìn)行運(yùn)輸，因此它的包裝尺寸必須要能夠在汽車的運(yùn)輸體積范圍內(nèi)。因此，為了縮小飛行器的運(yùn)輸控制空間，通常飛行器的整體結(jié)構(gòu)使用部件拆分和折疊的方式，以此達(dá)到縮小包裝空間的目的。

1.2 設(shè)計(jì)材質(zhì)要輕量

多旋翼無人飛行器的材質(zhì)要達(dá)到兩個(gè)要求，其一就是材料要輕質(zhì)，其二就是材料要具有一定強(qiáng)度，能夠滿足升空設(shè)備的要求，并且保證它的主體機(jī)構(gòu)能夠具有一定的抗風(fēng)能力和承載能力。

1.3 設(shè)計(jì)要具有工藝性

在設(shè)計(jì)飛行器的過程中，需要讓結(jié)構(gòu)具有工藝性，工藝性會(huì)影響整個(gè)飛行器的生產(chǎn)周期和制作成本。因此，盡量要使用性價(jià)比合適的材料。

2 四旋翼無人飛行器的原理

四軸飛行器與普通的直升機(jī)飛行結(jié)構(gòu)模式并不一樣，它主要是利用對固定旋翼來進(jìn)行動(dòng)力的提供和傳輸，對角的飛行旋翼所旋轉(zhuǎn)的方向一致，而相鄰的旋翼所旋轉(zhuǎn)的方向不一致。這種設(shè)計(jì)的模式有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，首先是能夠利用正反螺旋槳之間的相互作用，然后將各個(gè)旋翼之間產(chǎn)生的反槳矩消除，從而飛行器維持在一個(gè)穩(wěn)定的平衡飛行狀態(tài)，并且也不用像直升機(jī)那種飛行模式，進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)尾槳來保持飛機(jī)自身的旋轉(zhuǎn)。針對直升機(jī)來講，四軸飛行器將其飛行模式與機(jī)械構(gòu)造進(jìn)行簡化了。

螺旋槳在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣與槳葉會(huì)產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，因此引發(fā)的氣流也會(huì)在槳葉上進(jìn)行摩擦，并且在空氣中流過槳葉的前后緣都會(huì)產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)差，并且利用這種壓強(qiáng)差產(chǎn)生一定的作用力。一般情況下，將空氣動(dòng)力對螺旋槳產(chǎn)生的作用力可以分為阻礙螺旋槳旋轉(zhuǎn)的阻力Q和向上的拉力P。然而因?yàn)槁菪枇與槳軸間存在一定的距離，會(huì)導(dǎo)致槳葉與阻力的切向速度違背，從而形成了阻力力矩。根據(jù)螺旋槳片條理論，可以將空氣動(dòng)力系CP、CQ代入公式，能夠計(jì)算出阻力Q與升力P的形式：

在上述公式中，ρ屬于空氣密度，n則代表的是螺旋槳轉(zhuǎn)速，D是螺旋槳直徑。利用上述公式，可以發(fā)現(xiàn)，若是螺旋槳與空氣的密度為固定值時(shí)，阻力Q與升力P的大小會(huì)與螺旋槳產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速性成正比，若是轉(zhuǎn)速越大，則升力也就越高。

因?yàn)樗男盹w行器主要有偏航、俯仰、橫滾以及油門這四個(gè)控制量，在控制方面，系統(tǒng)需要進(jìn)行多自由度的運(yùn)動(dòng)，并且還要進(jìn)行四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，從而調(diào)節(jié)飛行的狀態(tài)。四軸飛行器主要有四種飛行模式，分別為垂直運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)、翻滾運(yùn)動(dòng)以及俯仰運(yùn)動(dòng)。

垂直運(yùn)動(dòng)相比于其他三種運(yùn)動(dòng)，其模式更加的簡潔。如圖1所示，螺旋槳上方的箭頭表示的是拉力上升；邊緣的箭頭則表示的是螺旋槳旋轉(zhuǎn)的方向。在四個(gè)電機(jī)進(jìn)行相同功率的輸出時(shí)，每一個(gè)電機(jī)產(chǎn)生的反扭力都是一樣的，而相鄰的電機(jī)所產(chǎn)生的反扭力方向相反，因此四個(gè)電機(jī)輸出的合力上只存在于垂直方向上。若是升力P比機(jī)身的重量要大時(shí)，飛行器則會(huì)垂直向上；若是升力P與機(jī)身重量相等時(shí)，則飛行器會(huì)懸浮，若是升力P小于G時(shí)，則飛行器會(huì)垂直下降。

圖1 垂直運(yùn)動(dòng)

3 多旋翼無人飛行器的設(shè)計(jì)方案

本文中給出了一種視頻監(jiān)控用折疊式四旋翼無人飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)對飛行器的材料選擇、任務(wù)載荷和系留纜繩安裝以及起落架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)四旋翼無人飛行器的方案時(shí)，主要針對兩種飛行器，即十字型和X型飛行器。本文中研究飛行器的設(shè)計(jì)方案的主要目的就是為了給飛行器設(shè)計(jì)提供參考意見。四旋翼飛行器擁有4個(gè)對稱的螺旋槳，4個(gè)螺旋槳大小一致，并且有4個(gè)分布在螺旋槳支架端的電動(dòng)機(jī)為螺旋槳提供飛行動(dòng)力。在飛行器的機(jī)身上需要安裝陀螺儀、感應(yīng)器、GPS、加速度計(jì)、紅外線測距裝置和視覺感應(yīng)系統(tǒng)，保證整個(gè)四旋翼無人飛行器的重心在四個(gè)螺旋槳重心的最中心的圓心上。

4 多旋翼無人飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

多旋翼飛行器的設(shè)計(jì)需要符合飛行器的工作原理，在確定機(jī)身的回轉(zhuǎn)半徑時(shí)，需要來根據(jù)飛行器的中立比例和飛行工況來綜合計(jì)算，細(xì)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完善飛行器的設(shè)計(jì)。飛行器設(shè)計(jì)中需要參考的一個(gè)重要數(shù)據(jù)和概念就是推重比，它是指機(jī)身中和推力的比值，如果推重比大于1，則飛行器就會(huì)正常飛行，反之小于1，飛行器的飛行狀態(tài)會(huì)異常。另外四旋翼飛行器不僅要能夠正常飛行，還要具有航拍功能，不僅如此，四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要緊湊。設(shè)計(jì)人員需要在確定推重比之后，對控制飛行器的電子設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此保證飛行器的尺寸合理、零部件正常。多旋翼飛行結(jié)構(gòu)中的主體就是空中平臺結(jié)構(gòu)，它是由不同型號的碳纖維板材組成的，在選擇材料類型時(shí)，可以使用三維編織的T300碳纖維復(fù)合材料，這種材料強(qiáng)度較高、重量較低。另外，為了減輕整個(gè)飛行器的重量，需要根據(jù)整個(gè)飛行器的載荷大小而調(diào)整設(shè)備艙主體碳纖維厚度。飛行器在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)需要根據(jù)項(xiàng)目要求來搭載掛載，而其中最常見的掛載就是相機(jī)云臺，這就需要設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中以快換、快拆為設(shè)計(jì)原則，統(tǒng)一機(jī)體和掛載的連接接口。

5 多旋翼無人飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 材料的選擇

空中平臺結(jié)構(gòu)是采用不同型號的板材和碳纖維管材搭建而成，板材和碳纖維管材使用的是三維編織T300碳纖維復(fù)合材料，此材料具有較高的強(qiáng)度和較輕的質(zhì)量。為了讓飛行器的機(jī)構(gòu)重量輕便，設(shè)備艙主體的3層碳纖維板材的厚度依據(jù)載荷的大小，從上到下依次為1.5mm、2mm、1.8mm，并設(shè)計(jì)合理的減輕孔。支撐臂和起落架主要承受彎矩載荷，采用抗彎性能較強(qiáng)的碳纖維管材。任務(wù)載荷掛架及輔助豎梁等應(yīng)力比較大的零件采用質(zhì)輕強(qiáng)度高的航空鋁合金材料7075-T651，此材料能夠顯著提高機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度，減輕機(jī)身機(jī)構(gòu)重量。碳纖維復(fù)合材料編織的零件在鉚接時(shí)會(huì)出現(xiàn)碎裂和壓潰的問題，因此為了保證零件間的聯(lián)接質(zhì)量，復(fù)合材料零件均采用鋁合金接頭搭接。在進(jìn)行搭建時(shí)，使用專用定位工裝進(jìn)行搭建。

5.2 任務(wù)載荷和系留纜繩安裝

本文中設(shè)計(jì)的飛行器使用的任務(wù)載荷為高清攝像機(jī)，此攝像機(jī)能夠覆蓋到俯仰90°和水平360°度，讓飛行器的攝像機(jī)能夠給實(shí)現(xiàn)全方位的立體視頻監(jiān)控。根據(jù)飛行器上的任務(wù)載荷的安裝接口和結(jié)構(gòu)形式，要將其設(shè)計(jì)為法蘭式。并且任務(wù)載荷吊艙底部是系留纜繩支架，上部有8個(gè)螺釘于設(shè)備艙進(jìn)行連接。任務(wù)載荷吊艙采用鋁合金7075-T651機(jī)加而成，整個(gè)吊艙的重量只有105g，完全滿足了輕量化設(shè)計(jì)要求。

5.3 收放式起落架設(shè)計(jì)

四旋翼飛行器為了滿足一些拍攝要求，會(huì)使得飛行器要收起起落架，使航拍視角能夠不受阻擋。而且還要保證四旋翼飛行器安全著陸，使其具有吸收并耗散飛行器著陸垂直速度產(chǎn)生的動(dòng)能。因此，在設(shè)計(jì)起落架時(shí)，不僅要實(shí)現(xiàn)飛行器的起落架的功能，還要設(shè)計(jì)收放機(jī)構(gòu)。

6 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，四軸飛行器不斷的被運(yùn)用于各種科技領(lǐng)域中。尤其在生活方面，有著更加廣泛的發(fā)展前景。四軸飛行器本身就具備了多方面的科學(xué)技術(shù)，如電路設(shè)計(jì)、導(dǎo)航、自動(dòng)控制、飛行動(dòng)力學(xué)等。本文通過設(shè)計(jì)四軸飛行器的結(jié)構(gòu)，首先詳細(xì)分析了四軸飛行器的工作原理和設(shè)計(jì)方案，使飛行器能夠滿足拍攝需求，在未來的發(fā)展中能夠得到廣泛應(yīng)用。