多旋翼無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)形式研究

周樂

摘? ?要：多旋翼無人機(jī)因其比傳統(tǒng)飛行器體積小、操控簡(jiǎn)單、飛行成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于影視航拍、新聞媒體、交通管理、飛行表演、農(nóng)業(yè)植保、電力巡線、測(cè)繪等領(lǐng)域。文章主要介紹了多旋翼無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的幾種實(shí)現(xiàn)形式，通過內(nèi)燃機(jī)、鋰電池、燃料電池鋰電池混合動(dòng)力3種驅(qū)動(dòng)形式的動(dòng)力系統(tǒng)示意圖分別簡(jiǎn)述其工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：多旋翼無人機(jī);動(dòng)力系統(tǒng);混合動(dòng)力;燃料電池

1? ? 多旋翼無人機(jī)發(fā)展

自20世紀(jì)20年代出現(xiàn)多旋翼無人機(jī)以來，四旋翼無人機(jī)已有近90年的發(fā)展歷程[1]，然而，由于多旋翼飛行器的飛行效率并不高，并且受到過去技術(shù)發(fā)展水平的限制，多旋翼無人機(jī)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)非常差，容易受到氣流擾動(dòng)和碰撞的影響，其有效載荷很小，并且由于當(dāng)時(shí)有關(guān)人員沒有強(qiáng)調(diào)控制困難和缺乏實(shí)用性[2]，缺乏設(shè)備組件的集成，機(jī)體太笨重。在21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是高新技術(shù)的發(fā)展、算法控制的出現(xiàn)、傳感器的小型化等，使得多旋翼無人機(jī)再次受到人們的關(guān)注，越來越多國家的科研機(jī)構(gòu)高等院校以及高新技術(shù)企業(yè)開始重視這一行業(yè)。

1.1? 國外多旋翼無人機(jī)發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀

為了成功實(shí)現(xiàn)飛行，許多國外工程師試圖在設(shè)計(jì)的多旋翼飛機(jī)上安置各種飛行動(dòng)力。如早在20世紀(jì)20年代，法國C.Richet教授就設(shè)計(jì)了一架小的直升機(jī)，盡管結(jié)果不成功，但這一舉動(dòng)卻激發(fā)了他的學(xué)生Breguet的興趣，1907年，Breguet兄弟開發(fā)出世界上第一臺(tái)36.7 kW內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的“Breguet-Richet Gyroplane No.1”多旋翼飛機(jī)，1907年8月24日，在法國北部杜埃，“Breguet-RichetGyroplane No.1”號(hào)多旋翼飛機(jī)首次試飛，在試飛時(shí)，飛機(jī)高出地面0.61 m，徘徊了將近1 min[3-6]。

在小型多旋翼無人機(jī)的研究領(lǐng)域，由美國Draganflyer公司開發(fā)的名為“Draganflyer Ⅲ”的多旋翼無人機(jī)，其主體材料為高性能塑料和碳纖維復(fù)合材料，高度為18 cm，整機(jī)重481.1 g，旋翼直徑28 cm，整個(gè)無人機(jī)可負(fù)載113.2 g，驅(qū)動(dòng)電池可以提供大約16～20 min的連續(xù)飛行，并且其4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以通過飛控設(shè)備來控制，“Draganflyer Ⅲ”還有3個(gè)陀螺儀來控制其姿態(tài)穩(wěn)定[7]，這可以提高整體飛行的穩(wěn)定性。

雖然微型多旋翼無人機(jī)的研究取得了成果，國外對(duì)工業(yè)級(jí)多旋翼無人機(jī)和載人多旋翼飛行器的研究也在持續(xù)進(jìn)行，例如，在德國，名為“E-vovo”的公司開發(fā)了一種名叫“VC200”的載人多旋翼飛機(jī)，它的機(jī)身主要由超輕碳纖維的復(fù)合材料制成，這種多旋翼飛機(jī)可以飛行約20 min[8]。

1.2? 國內(nèi)多旋翼飛行器的發(fā)展與研究現(xiàn)狀

在消費(fèi)級(jí)多旋翼無人機(jī)的開發(fā)過程中，東莞銀輝玩具有限公司開發(fā)了一種電動(dòng)四旋翼無人機(jī)，該機(jī)的主體材料由聚丙烯塑料發(fā)泡材料制成，其機(jī)身長度為68.5 cm，高度為14 cm，該機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)是一個(gè)電力驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)[9]。

創(chuàng)立于2006年的大疆創(chuàng)新科技有限公司，是一家研發(fā)、生產(chǎn)、銷售多旋翼無人機(jī)的獨(dú)角獸企業(yè)，它的產(chǎn)品涵蓋了消費(fèi)級(jí)多旋翼無人機(jī)、工業(yè)級(jí)多旋翼無人機(jī)以及無人機(jī)任務(wù)掛載設(shè)備。該公司發(fā)布的多類型多旋翼無人機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于全球各地，例如DJI公司最近于2018年8月23號(hào)發(fā)布的“御”Mavic 2系列無人機(jī)，“御”Mavic 2系列多旋翼無人機(jī)屬于大疆航拍系列第5代消費(fèi)級(jí)多旋翼無人機(jī)，該無人機(jī)裝配有專業(yè)相機(jī)，能實(shí)現(xiàn)8 km高清圖傳，具有左、右、上、下、前、后6個(gè)方向的避障飛行功能[10]。

2? ? 多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)組成

無人機(jī)系統(tǒng)（Unmanned AeriaI System，UAS）由地面部分和空中部分組成。（1）地面部分，包含地面站、數(shù)傳電臺(tái)，圖傳電臺(tái)、遙控器。其中，地面站由指揮處理中心、無人機(jī)控制站、載荷控制站3部分組成。（2）空中部分，包含飛機(jī)和任務(wù)載荷[11]，空中部分的飛機(jī)指多旋翼無人機(jī)，通過每個(gè)軸上的電動(dòng)機(jī)或者內(nèi)燃機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)生向下的推力使多旋翼無人機(jī)垂直飛離地面，它是一種特殊的直升機(jī)。多旋翼無人機(jī)包括動(dòng)力裝置、控制系統(tǒng)、機(jī)械部件、數(shù)據(jù)傳輸裝置、無人機(jī)任務(wù)載荷和遙控器。

2.1? 動(dòng)力裝置

多旋翼無人機(jī)動(dòng)力裝置的主要作用是為無人機(jī)的飛行提供動(dòng)力，主要包括電動(dòng)機(jī)或者內(nèi)燃機(jī)、電子調(diào)速器、螺旋槳和電池4個(gè)部分[12]。（1）電動(dòng)機(jī)或者內(nèi)燃機(jī)，負(fù)責(zé)將電能或者化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，目前，多旋翼無人機(jī)的電動(dòng)機(jī)以無刷直流電機(jī)為主，內(nèi)燃機(jī)以四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)為主。（2）電子調(diào)速器，負(fù)責(zé)將飛行控制系統(tǒng)的控制信號(hào)快速轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌须妷汉碗娏鳎钥刂齐妱?dòng)機(jī)的速度。（3）螺旋槳，是直接產(chǎn)生推力的部件，旋轉(zhuǎn)方向分為正反兩種。（4）電池，是多旋翼無人機(jī)的能源，與多旋翼無人機(jī)的飛行距離和最大負(fù)載重量等重要指標(biāo)直接相關(guān)。對(duì)于多旋翼無人機(jī)而言，動(dòng)力系統(tǒng)是其起飛階段、穩(wěn)定飛行階段、降落階段的核心硬件。

2.2? 控制系統(tǒng)

通過多旋翼無人機(jī)所配置的姿態(tài)傳感器、氣壓計(jì)、加速度計(jì)甚至雷達(dá)及視覺傳感來接收信號(hào)。接收的信號(hào)進(jìn)入中央處理器，中央處理器里的飛行控制算法和程序進(jìn)行信號(hào)處理來穩(wěn)定多旋翼無人機(jī)的飛行姿態(tài)。在GPS模式下通過路線規(guī)劃或者自主返航可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的自主、半自主飛行。

2.3? 機(jī)械部件

機(jī)械部件是多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)支撐體，一般由輕型材料切割、裝配、加工而成，除了用于安裝機(jī)臂、負(fù)載設(shè)備、飛控等設(shè)備外，還用于多旋翼無人機(jī)起降時(shí)支撐，通常還加裝一些橡膠件起到減緩降落沖擊作用。

2.4? 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備

將各種類型的數(shù)據(jù)（例如無人機(jī)拍攝的圖片和視頻）無線傳播到數(shù)據(jù)接收設(shè)備。

2.5? 任務(wù)載荷

多旋翼無人機(jī)根據(jù)執(zhí)行的任務(wù)需要，搭載不同的任務(wù)載荷，如影視航拍設(shè)備、新聞媒體播報(bào)設(shè)備、交通管理設(shè)備、飛行表演設(shè)備、農(nóng)業(yè)植保設(shè)備、電力巡線設(shè)備、測(cè)繪設(shè)備等。同時(shí)，遙控器用于無線實(shí)時(shí)控制多旋翼無人機(jī)。

3? ? 內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)

多旋翼無人機(jī)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)由活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃油供給系統(tǒng)、電噴系統(tǒng)等組成。活塞航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種四沖程、由火花塞點(diǎn)火的發(fā)動(dòng)機(jī)，工作原理如圖1所示。

燃油供給系統(tǒng)由以下部分（見圖2）組成：①為油泵支架;②為油泵;③為泄壓閥;④為燃油濾清器;⑤為1號(hào)直通快插接頭;⑥為2號(hào)直通快插接頭;⑦為一分六分油器;⑧為供油盒下盒;⑨為供油盒上盒;⑩為供油盒油濾蓋。

電噴系統(tǒng)由以下部分組成：①為電噴主體;②為電噴嘴支架;③為發(fā)動(dòng)機(jī)空濾;④為舵機(jī);⑤為舵機(jī)搖臂;⑥為球頭拉桿;⑦為電噴嘴;如圖3所示。

采用內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力的無人機(jī)續(xù)航時(shí)間長，一般可以達(dá)到1～4 h，且加注燃油方便快捷，動(dòng)力系統(tǒng)強(qiáng)勁有力，非常適合植保作業(yè)，有利于農(nóng)藥的下沉擴(kuò)散。但是該動(dòng)力系統(tǒng)長時(shí)間工作穩(wěn)定性差，容易出現(xiàn)供油不足甚至油泵損壞，而且發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)專業(yè)性強(qiáng)，一般操作人員難以正確使用和維護(hù)，維護(hù)所需工具繁多，一旦出現(xiàn)炸機(jī)，修復(fù)成本高，更換發(fā)動(dòng)機(jī)耗時(shí)過長。

4? ? 鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)

鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)通常包括鋰電池、ESC、電機(jī)、螺旋槳等，鋰電池多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)相較于其他動(dòng)力系統(tǒng)體積更小、重量更輕，尤其是目前鋰電池技術(shù)發(fā)展迅速，單位體積能量密度越做越大，有利于多旋翼無人機(jī)的設(shè)備布置，增加任務(wù)負(fù)載的掛載位置。目前，很多鋰電池在功能上設(shè)計(jì)成插拔式，大大提升了換電速度，提高了作業(yè)效率。但是目前鋰電池的續(xù)航時(shí)間基本沒有超過1 h，平均續(xù)航時(shí)間沒有超過30 min，在進(jìn)行遠(yuǎn)距離或者長時(shí)間飛行任務(wù)時(shí)，往往需要頻繁地返回起飛點(diǎn)更換電池，影響飛行任務(wù)的完成實(shí)效性甚至無法完成飛行任務(wù)，同時(shí)，頻繁地更換電池導(dǎo)致需要儲(chǔ)備較多電池，使得整機(jī)的購買成本大大上升，考慮到鋰電池的使用壽命一般只有3年左右，使得無人機(jī)的使用成本比較高。

5? ? 燃料電池鋰電池混合動(dòng)力系統(tǒng)

燃料電池組成高電壓大功率系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)效率和續(xù)航時(shí)間的提升，從而提升了系統(tǒng)的飛行半徑和掛載能力。采用高可靠性、節(jié)能型的高電壓動(dòng)力系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的效率。高壓動(dòng)力系統(tǒng)采用矢量控制技術(shù)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的飛行性能。最大起飛重量可以達(dá)到100 kg，最大有效載荷可以達(dá)到20 kg，抗風(fēng)等級(jí)可以達(dá)到12 m/s，可以連續(xù)地將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能而不受卡諾循環(huán)的限制。

燃料電池是一種直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機(jī)。是利用燃料發(fā)電的最高效方式，整個(gè)反應(yīng)沒有燃燒過程，沒有任何有害物質(zhì)排放，幾乎沒有噪音，也不需要維護(hù)，可以直接使用天然氣、甲醛、氫氣。但是燃料電池反應(yīng)過程不能快速變化，即電機(jī)無法實(shí)現(xiàn)快速地變換轉(zhuǎn)速，所以整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)還需并聯(lián)鋰電池進(jìn)行電流的補(bǔ)充。實(shí)現(xiàn)多旋翼無人機(jī)的起飛以及快速機(jī)動(dòng)。

該混合動(dòng)力系統(tǒng)中燃料電池使用的是質(zhì)子交換膜型燃料電池，質(zhì)子交換膜燃料電池是一種低溫燃料電池，采用空氣作為氧化劑，能量轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到40%～60%，明顯高于內(nèi)燃機(jī)的能量轉(zhuǎn)化效率，而且在常溫下啟動(dòng)快、壽命長、無污染。燃料電池鋰電池混合動(dòng)力無人機(jī)，具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）高電壓電子調(diào)速系統(tǒng)針對(duì)大慣量、長航時(shí)特性飛行平臺(tái)設(shè)計(jì)，擁有強(qiáng)可靠性和節(jié)能型等優(yōu)勢(shì)。

（2）完成高電壓電子調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證、老化和產(chǎn)品化等工作，符合模塊化設(shè)計(jì)需求，可以滿足多種同類型產(chǎn)品的需求。

（3）達(dá)到高可靠性，滿足工業(yè)、軍工、反恐等特殊需求。

（4）高節(jié)能型，有效延長飛行器續(xù)航時(shí)間，并且減少功率器件額外能量損耗，有助于提高可靠性。

但該動(dòng)力系統(tǒng)體積大，燃料電池造價(jià)昂貴，加注氫氣不夠便捷。

6? ? 結(jié)語

多旋翼無人機(jī)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、動(dòng)力性、成本、用途、續(xù)航時(shí)間等在無人機(jī)設(shè)計(jì)之前會(huì)有一些共性的要求，比如長續(xù)航、載重量大、能量源加注快等，而鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于消費(fèi)級(jí)和工業(yè)級(jí)多旋翼無人機(jī)。目前，該行業(yè)面臨一個(gè)共同瓶頸就是飛行時(shí)間短，當(dāng)需要長時(shí)間飛行時(shí)，必須儲(chǔ)備較多電池，間接導(dǎo)致飛行成本增加，而隨著燃料電池技術(shù)的成熟，批量生產(chǎn)后燃料電池的價(jià)格未來將大大降低，燃料電池鋰電池混合動(dòng)力在多旋翼無人機(jī)上的應(yīng)用將大大延長多旋翼無人機(jī)續(xù)航時(shí)間，減少能量源加注次數(shù)和加注時(shí)間，大大提升多旋翼無人機(jī)作業(yè)效率。

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