變槳距四旋翼飛行器的研究

吳湘蓮，沈旭東

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江嘉興，314000）

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

旋翼飛行器的出現(xiàn)較早，但是由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展有限，所以直到近幾年旋翼飛行器才得到迅速的發(fā)展。目前由美國Dragan flyer公司開發(fā)研制的。Dragan flyer四旋翼飛行器已經(jīng)推出了第四代產(chǎn)品，它是典型的帶遙控的航?？刂扑男盹w行器。其機(jī)身的寬度為72cm，高度為18cm，螺旋槳的直徑為28cm，起飛為513g，機(jī)身采用碳纖維復(fù)合材料制成，并且裝有2.4GHz的無線傳輸攝像頭，可以在大概距離800m的范圍內(nèi)進(jìn)行無線遙控，此產(chǎn)品主要應(yīng)用于航拍。機(jī)載的控制系統(tǒng)可以通過控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到控制飛行器的姿態(tài)控制。另外，為了增加姿態(tài)的穩(wěn)定控制還使用了三個(gè)壓電晶體陀螺儀。

國內(nèi)的四旋翼研究起步較晚，與國外相比有一定的差距，國內(nèi)主要從事四旋翼飛行器研究的高校有清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)等。雖然國內(nèi)的多旋翼研究起步較晚，但是由于有先前的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)借鑒，所以起點(diǎn)較高，近年來也取得了一些成果。其中清華大學(xué)在四旋翼控制中引入了紅外測(cè)距儀，并將距離數(shù)據(jù)與姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)了三維空間中的自主定位與飛行。早在 2006 年國防科技大學(xué)就開始了四旋翼的研發(fā)工作，第一代試驗(yàn)樣機(jī)起飛重量 750g，機(jī)架長度 72cm，每個(gè)電機(jī)經(jīng)過減速齒減速為旋翼螺旋槳提供動(dòng)力。并且與常規(guī)的四旋翼不同的是，其內(nèi)部采用基于 Backstepping 的控制算法進(jìn)行控制，取得了一定的研究成果。

2 變槳距四旋翼飛行器整機(jī)結(jié)構(gòu)研究

■2.1 支架結(jié)構(gòu)

四旋翼飛行器骨架支架結(jié)構(gòu)，采用了兩種方案進(jìn)行比對(duì)：方案一，采用工字型結(jié)構(gòu)。原先設(shè)計(jì)的整體外形是工字型，但是在后來的測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，這樣的結(jié)構(gòu)很容易扭，如圖1所示。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整測(cè)試，在結(jié)構(gòu)上調(diào)整為II型，可以有效的提高整機(jī)的強(qiáng)度，如圖2所示，同時(shí)采用了雙電機(jī)的設(shè)計(jì)方式。

圖1 工字型結(jié)構(gòu)

圖2 II字型結(jié)構(gòu)

在外形結(jié)構(gòu)方面，因?yàn)闊o人機(jī)對(duì)穩(wěn)定性和靈活性有很嚴(yán)的要求，本項(xiàng)目選擇的材料具有強(qiáng)度高同時(shí)重量輕的特性，其中無人機(jī)的機(jī)臂選擇碳管材質(zhì)，電機(jī)板為環(huán)氧樹脂板，變距部分因?yàn)閷?duì)強(qiáng)度和阻尼的嚴(yán)格要求，直接購買成品，航模直升機(jī)的尾波箱與其結(jié)構(gòu)相似，稍作改動(dòng)即可使用，一些形狀特殊的連接件，畫出三維圖后，使用3D打印的技術(shù)制作，節(jié)省時(shí)間與經(jīng)費(fèi)。為了達(dá)到減輕重量的目的，螺栓和螺柱我們選擇用尼龍材質(zhì)取代金屬材質(zhì)。

圖3 關(guān)鍵部件

中間管夾是用來固定電機(jī)板夾和變槳距四軸的，而機(jī)電板固定電機(jī)和3個(gè)齒輪，通過碳管管夾將2跟碳管和變槳距四軸相連起到穩(wěn)定作用。

■2.2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要由同步帶、同步輪、軸承、限位圈等零件組成，用于將電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)到每一個(gè)槳的軸上，使其能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，這是整架無人機(jī)能夠起飛的保證，傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求配合精密，飛行過程中盡量減少震動(dòng)，因此要做的足夠穩(wěn)定可靠。

動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)提供，而無刷電動(dòng)機(jī)是由三相無刷電子調(diào)速器控制動(dòng)力，通過波輪箱將動(dòng)力平均反向的提供給兩個(gè)槳葉，通過高精度數(shù)字金屬舵機(jī)控制槳葉螺距，改變動(dòng)力方向，達(dá)到飛機(jī)的控制目的。

圖4、圖5為波輪箱的模型圖，它是由3個(gè)齒輪組成，最小的齒輪是由馬達(dá)帶動(dòng)的，通過最小的齒輪帶動(dòng)2個(gè)大齒輪做反向的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4 波輪箱正面

軸傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)的選擇：現(xiàn)在市場(chǎng)上大多數(shù)采用的是軸傳動(dòng)，現(xiàn)代的工業(yè)制造技術(shù)已經(jīng)很發(fā)達(dá)，制造的精密度也是很高的，軸傳動(dòng)的精密度很高，但是在制作過程中很難實(shí)現(xiàn)，而皮帶傳動(dòng)不僅可以保證所需的效果，同時(shí)降低了對(duì)精度的要求，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

圖5 波輪箱底部圖

圖6 變槳距四軸

圖7 皮帶傳動(dòng)

■2.3 動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)主要包括電池，電機(jī)，電調(diào)，舵機(jī)和槳葉，選擇合適的配件能夠在功率一定的情況下獲得更大的升力，也就是無人機(jī)能夠保持更長的飛行時(shí)間，提供更好的飛行體驗(yàn)。

該無人機(jī)采用可充鋰電池作為動(dòng)力來源，給電機(jī)供電，使其轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)給接收機(jī)和飛機(jī)的控制系統(tǒng)供電，使其能正常工作，進(jìn)而能調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和舵機(jī)舵量，這是整架無人機(jī)得以飛行的基礎(chǔ)。

（1）動(dòng)力電池

蓄電池是無人機(jī)的供電設(shè)備，本項(xiàng)目選擇3S 5200mah 35C電池，電壓為11.1V，容量5200mAh，放電倍率35C，最大放電電流為182A，最大充電電流26A，在理論論證中，能夠滿足無人機(jī)對(duì)電壓電流的需要同時(shí)保證較長的飛行時(shí)間。

圖8 蓄電池

圖9 電機(jī)

（2）電調(diào)設(shè)備

電子調(diào)速器是控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的電子設(shè)備，俗稱電調(diào)。它將控制系統(tǒng)輸出的信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，輸出給電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。主要參數(shù)有持續(xù)電流，瞬間電流，鋰電池節(jié)數(shù)，BEC類型和重量等，在選擇過程中，注意持續(xù)電流和鋰電池節(jié)數(shù)，蓄電池電芯數(shù)應(yīng)符合鋰電池節(jié)數(shù)要求，持續(xù)電流在達(dá)到電機(jī)工作要求，同時(shí)不宜超過蓄電池的最大放電電流。

（3）舵機(jī)控制

舵機(jī)是控制螺旋槳螺距的設(shè)備，對(duì)它的響應(yīng)速度和精度要求極高。一個(gè)性能優(yōu)良的舵機(jī)對(duì)無人機(jī)整體性能的提高具有至關(guān)重要的作用。而一架四軸無人機(jī)至少需要配備四個(gè)高性能舵機(jī)。

（4）螺旋槳槳葉

螺旋槳是無人機(jī)得以產(chǎn)生升力的關(guān)鍵部件，依據(jù)帕努利定理—“流體對(duì)周圍的物質(zhì)產(chǎn)生的壓力與流體的相對(duì)速度成反比”。螺旋槳就好像一個(gè)豎放的機(jī)翼，凸起面向前，平滑面向后。旋轉(zhuǎn)時(shí)壓力的合力向前，推動(dòng)螺旋槳向前，從而帶動(dòng)飛機(jī)向前。因?yàn)槲覀冊(cè)O(shè)計(jì)的是變槳距四軸，所以槳葉又與一般的螺旋槳槳葉有所不同。我們用圖10所示的螺旋槳取代常見的圖11所示的槳葉形式，以達(dá)到螺距可變的目的。

圖10 定槳距槳葉

圖11 變槳距槳葉

■2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的主要設(shè)備是飛行控制器，簡稱飛控，其作用是感知無人機(jī)在空間三維方向上的變化，同時(shí)根據(jù)控制者的需要，進(jìn)行姿態(tài)的調(diào)整及穩(wěn)定?？刂葡到y(tǒng)有人工和自動(dòng)控制兩部分，其中人工控制是指將無人機(jī)按照人的意愿通過遙控器給無人機(jī)發(fā)送信號(hào)，調(diào)整其飛行姿態(tài)，自動(dòng)控制由無人機(jī)上帶有的飛行控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)，自動(dòng)感知自身姿態(tài)的變化，進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，為其自動(dòng)保持穩(wěn)定狀態(tài)。

飛行器的飛行控制系統(tǒng)選擇成品飛控。目前市場(chǎng)上的幾款變槳距飛控中，3DQ飛控相對(duì)穩(wěn)定性好，運(yùn)用先進(jìn)的、專一的控制算法邏輯。具有一定的自穩(wěn)功能，但每架無人機(jī)的結(jié)構(gòu)，質(zhì)量，重心都有所差別，因此相關(guān)數(shù)據(jù)需要在完成無人機(jī)的搭建，將飛控安裝上去之后經(jīng)過不斷的調(diào)試得出參數(shù)。內(nèi)置獨(dú)立IMEU減震模塊，在工業(yè)化運(yùn)用中可搭配專用減震平臺(tái)?？裳b載高精度GPS模塊，實(shí)現(xiàn)高效定位。顛覆傳統(tǒng)多軸的體驗(yàn)，獨(dú)有的高精度控制和高性能手感控制系統(tǒng)除了飛控之外，還包括操縱者手中的遙控器和位于無人機(jī)上的接收機(jī)起達(dá)到操縱者手動(dòng)控制無人機(jī)飛行姿態(tài)的目的。

3 結(jié)論

變槳距四旋翼飛行器是通過改變槳的螺距大小來改變升力的，這種控制策略可使飛行器姿態(tài)的響應(yīng)和控制的延遲都變得較小，同時(shí)可以節(jié)省資源和能耗。采用兩個(gè)電機(jī)的設(shè)計(jì)既達(dá)到了配平重心的目的，又減輕了單個(gè)電機(jī)的壓力，用Y線將兩根電機(jī)線連在一起，達(dá)到使兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同的目的。采用皮帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)是在對(duì)兩種方法反復(fù)斟酌之后的選擇，相比之下，皮傳雖精度稍差，但性價(jià)比高，容易更換，在與軸傳的比較中有著更明顯的優(yōu)勢(shì)。變螺距的結(jié)構(gòu)使得無人機(jī)的操作更為細(xì)膩，任何細(xì)微的動(dòng)作都會(huì)使無人機(jī)的飛行姿態(tài)發(fā)生很大的變化，所以本項(xiàng)目要求飛手具有較高的無人機(jī)操作水平。