大載荷無(wú)人機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)與選型

宋文杰，羅子樂(lè)

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，廣東珠海519000）

1 無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)

1.1 確定需求

優(yōu)先實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的基礎(chǔ)功能，在基礎(chǔ)功能的基礎(chǔ)上完善功能，提高對(duì)應(yīng)功能的效率、穩(wěn)定性，并進(jìn)行迭代優(yōu)化；應(yīng)具有靈活的機(jī)動(dòng)能力，穩(wěn)定的輸出能力，能與其他自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行配合，從而達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的最優(yōu)化。經(jīng)機(jī)型確定，此無(wú)人機(jī)總重接近10kg，針對(duì)1臺(tái)四旋翼無(wú)人機(jī)，其技術(shù)要求如下：（1）單軸拉力需超過(guò)2.5kg；（2）結(jié)構(gòu)自身可以承受117.6N凈應(yīng)力（為保證良好的極限強(qiáng)度，最大飛行載荷情況一般為自身載荷的 120%）。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)件選型

1.2.1 動(dòng)力系統(tǒng)的選型

根據(jù)單軸拉力為2.5kg的技術(shù)要求，首先，確定選擇運(yùn)用直流無(wú)刷電機(jī)。由此，引入一個(gè)無(wú)刷電機(jī)的數(shù)學(xué)模型：

式中，Ra為電機(jī)內(nèi)阻；U為電機(jī)兩端電壓；I為通過(guò)電機(jī)的電流；Kv為電機(jī)每增加單位伏特電壓，電機(jī)單位時(shí)間內(nèi)增加的轉(zhuǎn)速；Km為電機(jī)扭矩；N為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；Mem為電機(jī)的電磁扭矩。這個(gè)公式的理解是：電機(jī)的端電壓分為2部分：一部分是Ra，為內(nèi)阻乘上電流，即傳統(tǒng)意義的歐姆定律；另一部分是轉(zhuǎn)速除以c值，即與轉(zhuǎn)速成正比，與Kv成反比。通常經(jīng)驗(yàn)估算的電機(jī)轉(zhuǎn)速等于Kv值乘上電壓，忽略了內(nèi)阻的近似情況。

電機(jī)的輸出扭矩為：

Kv的單位為r/（min·V），Km的量綱是N·m/A，在國(guó)際單位制下電機(jī)的Kv與Km滿足關(guān)系：

可以這樣理解：Kv越小，電機(jī)的扭矩越大，單位電流所能提供的扭矩就越大。而這個(gè)輸出的扭矩也由2部分組成：一部分是克服自身阻力的扭矩，這部分就是電機(jī)有空載電流的原因；另一部分是輸出給螺旋槳的轉(zhuǎn)矩。如果在飛行試驗(yàn)中電子設(shè)備過(guò)熱，電機(jī)或電調(diào)負(fù)載過(guò)大，需要更換低Kv值電機(jī)。需要選擇一款高扭矩，低轉(zhuǎn)速的直流無(wú)刷電機(jī)。此時(shí)初步擬定采用4114電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 電機(jī)數(shù)據(jù)及力效與拉力關(guān)系

如圖1所示，此電機(jī)的力效比、需求電壓、以及配合1550槳的單軸拉力基本符合設(shè)計(jì)需求，故選擇4114電機(jī)作為此飛行器的動(dòng)力電機(jī)。

1.2.2 電氣系統(tǒng)的選型

選用4114無(wú)刷直流電機(jī)，根據(jù)電機(jī)自身參數(shù)，電子調(diào)速器需有良好的負(fù)載能力，根據(jù)無(wú)刷電機(jī)特性其也需進(jìn)行脈寬調(diào)制即提供PWM信號(hào)進(jìn)行電機(jī)閉環(huán),選擇40A無(wú)刷電機(jī)電子調(diào)速器。因4114電機(jī)選用24V電壓，初步選定24V 100W·h 6s電池，此容量的優(yōu)勢(shì)在于：不損失無(wú)人機(jī)動(dòng)力的前提下，最大限度地保證無(wú)人機(jī)續(xù)航性要求，同時(shí)，自身質(zhì)量較輕，適用于移動(dòng)平臺(tái)。

1.2.3 增穩(wěn)系統(tǒng)的添加與控制

在懸停時(shí)，若開(kāi)環(huán)控制，由于一些不可控的外界因素，四旋翼會(huì)晃動(dòng)，穩(wěn)定性不能滿足要求。故本機(jī)型搭載Px4flow模塊測(cè)速（以下簡(jiǎn)稱光流模塊），光流模塊通過(guò)I2C的通信協(xié)議與飛控通訊。利用光流模塊返回的位置信息或者速度信息形成一個(gè)閉環(huán)控制，即可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)。

閉環(huán)控制分為2種，即速度閉環(huán)和位置閉環(huán)。通過(guò)光流模塊將x和y方向的速度返回，保證x和y方向的速度為0，消除晃動(dòng)，增強(qiáng)穩(wěn)定性，此類稱之為速度閉環(huán)。另一種方式為位置閉環(huán)控制，將x和y的位置變換返回，形成一個(gè)位置閉環(huán)，保證x和y方向的位置變化為0。從而確定位置目標(biāo)。

當(dāng)目標(biāo)物體在攝像機(jī)前運(yùn)動(dòng)或者攝像機(jī)在環(huán)境中移動(dòng)時(shí)，目標(biāo)圖像是在發(fā)生變化的，圖像灰度模式的表面運(yùn)動(dòng)就稱為光流。通過(guò)檢測(cè)圖像中光點(diǎn)和暗點(diǎn)的移動(dòng)判斷圖像中像素點(diǎn)相對(duì)于飛行器的移動(dòng)速度。

1.3 系統(tǒng)框圖

圖2 大載荷多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)框圖

無(wú)人機(jī)硬件系統(tǒng)分布圖如圖2所示，此系統(tǒng)采用n3飛控，其采用內(nèi)置雙IMU冗余設(shè)計(jì)，通過(guò)2塊IMU互相校準(zhǔn)，提升飛行器可靠性；增添輔助光流穩(wěn)定系統(tǒng)通過(guò)對(duì)地面的光識(shí)別對(duì)飛控進(jìn)行正反饋調(diào)節(jié)，從而達(dá)到增穩(wěn)效能。

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.4.1 CAD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本款飛機(jī)以碳纖維高抗拉結(jié)構(gòu)為主，中間采用鋁合金構(gòu)件以增加強(qiáng)度，具體加工工藝以普銑加工、普車(chē)加工、數(shù)控車(chē)床加工3種加工方式為主。無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)的整體構(gòu)型使結(jié)構(gòu)主承力框架、次承力件和設(shè)備安裝支架等承載環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)整體化構(gòu)造、采用一體化布局和緊湊性、輕量化構(gòu)型設(shè)計(jì)，最大限度地減少了結(jié)構(gòu)的工藝分離面，省去了受限于制造工藝而添加的過(guò)渡輔助結(jié)構(gòu)特征和連接件，大幅提高了結(jié)構(gòu)的完整性。當(dāng)前，結(jié)構(gòu)承載性能已經(jīng)可以完成防熱、減振、降噪、隔電等多種效能。通過(guò)多處結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)，完美地達(dá)到了適航性與續(xù)航性的要求。

1.4.2 機(jī)體應(yīng)力分析

圖3為針對(duì)此飛機(jī)的下層夾層板進(jìn)行的應(yīng)力分析，下層夾層般選用的是高強(qiáng)度3000絲碳纖維材料，以東麗碳纖維為例，其抗拉強(qiáng)度為4200MPa，拉伸模量為240GPa，延伸度為1.8%，充分說(shuō)明此種材料有較強(qiáng)的剛度強(qiáng)度。同時(shí)，其電阻率為1.6×10-3Ω·cm，其絕緣性能較弱，故在裝配電子元件時(shí)，應(yīng)配合3m膠等絕緣材料進(jìn)行裝配，從而保證電子元件的各項(xiàng)工作性能完好。

如圖3所示，在飛行過(guò)程中，機(jī)體受到約110N的力，由碳纖維結(jié)構(gòu)提供支撐力。故，運(yùn)用Siumulation進(jìn)行應(yīng)力分析。在滿足足夠精度的條件下，應(yīng)選擇較大的網(wǎng)格，這樣能夠減少計(jì)算時(shí)間，降低對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求。由圖3可知，最大應(yīng)力為2.085×106N/m2，最大屈服應(yīng)力為 4.168×106N/m2。

圖3 結(jié)構(gòu)主層板的靜應(yīng)力分析圖示

1.5 人機(jī)工程優(yōu)化

1.5.1 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)及分析，該飛機(jī)在調(diào)試及裝配過(guò)程中存在以下缺點(diǎn)：（1）更換電路板調(diào)試時(shí)，需要重新弄制作接口；（2）更換電路板時(shí)，程序需要大量進(jìn)行修改；（3）更換電路板時(shí)，會(huì)出現(xiàn)短路、短接等問(wèn)題；（4）在調(diào)試過(guò)程中，有部分元器件、傳感器出現(xiàn)接觸不良的情況；（5）更換電路板時(shí)，出現(xiàn)引腳不夠使用的情況；（6）電子元件走線過(guò)程中，由于沒(méi)有整體性思想，電子元件排布較為混亂，電子元件中存在線路干涉，對(duì)無(wú)人機(jī)適航性有一定影響[1]。

1.5.2 分析原因

制作電路板時(shí)，沒(méi)有指定一套統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范。在接口、封裝、引腳使用上都需要進(jìn)行一定的規(guī)范。重要?？斓慕涌谛枰B接穩(wěn)定，防止元器、傳感器出現(xiàn)接觸不良的情況。沒(méi)有提前預(yù)留一些備用引腳，在需要使用新的引腳時(shí)，無(wú)法使用。

1.5.3 解決方案

通過(guò)分析，提出以下解決方案：（1）電路板均采用STM32F405RGT6，相比427成本較低，滿足使用需求；（2）電源取電統(tǒng)一使用 XT30-公頭，供電使用 XT30-母頭；（3）除基本需求，設(shè)計(jì)板子時(shí)預(yù)留引腳，功能為PWM、ADC方便進(jìn)行調(diào)試；（4）為減少嵌入式更換電路板時(shí)的代碼修改量，引腳盡量不進(jìn)行修改，機(jī)器人中常用的串口通信部分進(jìn)行規(guī)范規(guī)定每個(gè)串口的固定位置。

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)載重能力的增強(qiáng)，其自身航程遠(yuǎn)、可操作性強(qiáng)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)進(jìn)一步顯現(xiàn)出來(lái)，工業(yè)無(wú)人機(jī)的技術(shù)瓶頸主要體現(xiàn)在續(xù)航時(shí)長(zhǎng)、載荷重量、可靠性以及作業(yè)半徑上，尤其是續(xù)航時(shí)長(zhǎng)和載荷重量上面臨著較為艱難的技術(shù)困境，現(xiàn)有的工業(yè)無(wú)人機(jī)性并不能完全在上述幾個(gè)方面滿足行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

但隨著行業(yè)企業(yè)在技術(shù)研發(fā)投入上不斷提高，行業(yè)技術(shù)瓶頸的解決是未來(lái)幾年內(nèi)極有可能發(fā)生的事。屆時(shí)，長(zhǎng)續(xù)航、高荷載產(chǎn)品將成主流，最大程度地滿足客戶對(duì)續(xù)航能力、高荷載的需求。同時(shí)，未來(lái)隨著工業(yè)無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展和深入，行業(yè)對(duì)工業(yè)無(wú)人機(jī)的作業(yè)半徑、遙控距離都會(huì)提出更高的要求，將促使行業(yè)產(chǎn)品向更長(zhǎng)距離遙控、更高清晰度圖傳的方向發(fā)展。工業(yè)無(wú)人機(jī)平臺(tái)也將發(fā)揮更大的作用，以便實(shí)現(xiàn)工業(yè)無(wú)人機(jī)在中轉(zhuǎn)站進(jìn)行充電、調(diào)整等，可極大地延長(zhǎng)工業(yè)無(wú)人機(jī)的工作時(shí)間，節(jié)約成本，提升產(chǎn)能。