一種基于OAT 模式的可折疊變形兩軸飛行器的研究

徐文源 夏維華 晉 猛 吳 仟 徐亞娟

(河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471023)

1 概述

目前國內(nèi)外常見無人飛行器多為四軸，對于特殊領(lǐng)域還有特殊飛行器，如載重直升機。航測固定翼四軸無人飛行器研究已久，飛控算法成熟，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，而兩軸飛行器研究幾乎空白，目前正在研究兩軸飛行器的公司國內(nèi)有零零科技、河南三和航空工業(yè)，國外有特斯拉，其中零零科技和特斯拉的飛行器還在研發(fā)當(dāng)中，尚未面世，河南三和航空工業(yè)的橫列雙旋翼植保機已經(jīng)面世。目前雙旋翼算法尚未成熟，主要有FAAT(Fore Aft Active Tilting 前后主動傾擺主動穩(wěn)定式)和OAT(Oblique Active Tilting 被動穩(wěn)定主動傾斜式)兩種，其中采用FAAT 俯仰不太穩(wěn)定，而對于OAT 模式研究僅有Gary R. Gress 等國外研究人員發(fā)表過相關(guān)論文，資料較少。從現(xiàn)有資料來看，多旋翼市場巨大，產(chǎn)品需求穩(wěn)步提升；雙旋翼潛力巨大，未來可期。而制約雙旋翼發(fā)展的突出問題主要有：飛控算法有待優(yōu)化；雙旋翼整體設(shè)計要求高，結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致飛行不穩(wěn)定；多旋翼噪聲明顯，機身震動幅度大對云臺要求高；載重量低，機動效率低于FAAT；不能折疊的多旋翼占用空間大。

2 基于OAT 模式的可折疊變形兩軸總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 OAT 模式研究起源

傳統(tǒng)的四軸飛行器是驅(qū)動不足的機械系統(tǒng)，其控制輸入比自由度少，四軸飛行器的欠驅(qū)動限制了其在自由或混亂空間中的飛行能力。為增加機械系統(tǒng)的控制輸入國外研究中有如采取多轉(zhuǎn)子設(shè)計(如八旋翼)但會導(dǎo)致重量增加和慣性增加，降低車輛的敏捷性的缺點、采用使用可變螺距的螺旋槳但存在低有效載荷，僅限單軸等限制。為此Ramirez- Serrano 教授提出了一種利用伺服電機控制雙軸傾斜使各軸獨立產(chǎn)生三驅(qū)動，通過計算機輔助控制實現(xiàn)飛行系統(tǒng)的完全控制，該系統(tǒng)為飛行器提供了更高的敏捷性和機動性，在狹窄室內(nèi)外環(huán)境中具有較好表現(xiàn)。

2.2 OAT 模式原理

若要理解何為OAT 模式就要先理解FAAT 模式。FAAT 外觀看屬于直線并列狀態(tài)(圖1)，形如“阿凡達·戰(zhàn)機”，前進兩電機會向機身正前方運動，后退就向后方運動，自穩(wěn)時電機角度與運動方向相反保持機身位置，此結(jié)構(gòu)重心基本是動態(tài)的，所以俯仰會不太穩(wěn)定，如圖1。

圖1 簡易FAAT 模式雙旋翼

OAT 模式的執(zhí)行機構(gòu)包含了控制產(chǎn)生俯仰力矩的橫向傾斜組件以及控制水平運動的縱向傾斜組件，如圖2 所示。將滾動的電機及槳視為滾動體，對滾動體施加繞軸傾轉(zhuǎn)的力后滾動體平衡將被破壞，滾動體產(chǎn)生繞傾斜軸和平面旋轉(zhuǎn)軸慣性力矩作用，該慣性力矩分別稱為陀螺力矩和螺旋槳力矩。通過控制伺服電機將兩個螺旋槳直接向?qū)Ψ絻A斜或遠(yuǎn)離對方，產(chǎn)生繞傾斜軸和平面旋轉(zhuǎn)軸垂直的旋翼陀螺力矩和螺旋槳力矩，從而提供所需的飛機繞該軸的控制。

圖2 國外OAT 模式原型機設(shè)計

圖2 所示為典型OAT 模式機構(gòu)設(shè)計，具有控制電機繞y 軸旋轉(zhuǎn)兩個伺服電機以及控制繞x 軸旋轉(zhuǎn)的兩個伺服電機，整個系統(tǒng)由兩個提供升力的無刷電機及控制機身姿態(tài)的四個伺服電機組成，這種典型的控制模式稱為dOAT 模式或雙軸OAT。在研究中表明sOAT (單軸OAT) 在通常使用環(huán)境下具有相當(dāng)dOAT 的控制能力，sOAT 即將用于控制繞Y 軸旋轉(zhuǎn)的及繞X 軸旋轉(zhuǎn)的兩個伺服電機簡化為一個，通過一個伺服電機控制電機繞一個傾斜軸旋轉(zhuǎn)達到同時完成繞x 和繞y 軸旋轉(zhuǎn)的能力，如圖3 所示。

圖3 單軸OAT 模式

2.3 基于OAT 模式的飛行器傾轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計

我們最終采用sOAT 模式進行兩軸驗證機設(shè)計，設(shè)計機臂與機身前進方向軸線呈四十五度夾角，電機底部與機臂同高，機臂采用16mm 碳管，管內(nèi)置有電調(diào)，用于控制電機轉(zhuǎn)速。舵機安置在舵機支架上，舵機與電機座同軸，舵機旋轉(zhuǎn)將帶動電機繞軸旋轉(zhuǎn)，舵機旋轉(zhuǎn)軸線與電機軸同向顧實現(xiàn)了SOAT。

2.4 基于OAT 模式的飛行器折疊機構(gòu)設(shè)計

雙軸設(shè)計帶來的不僅是飛機續(xù)航上的提升，通過減少機臂及電機的數(shù)量可以大大減少飛行器的占用空間，我們在此基礎(chǔ)上進一步壓縮空間設(shè)計了一套折疊機構(gòu)用于將固定不動的機臂折疊。在我們16mm 碳管遠(yuǎn)離電機端的頭部開有3mm 通孔，此通孔與上下機身通過3mm 螺絲連接固定，機臂可以繞此螺絲進行旋轉(zhuǎn)，在折疊狀態(tài)下機臂軸線與機身前進方向軸線平行，通過機身側(cè)邊的磁鐵與舵機支架上磁鐵吸引固定。進入工作狀態(tài)撥開磁鐵向外旋轉(zhuǎn)，在碳管頭部機架上設(shè)有彈性卡扣，從折疊位置撥動后卡扣將受積并將反作用碳管之上使其快速達到下一個穩(wěn)定位置即展開狀態(tài)，在達到展開位置后，碳管軸線與機生上下預(yù)留的部分螺紋管軸線重疊，將一直在機臂上的螺紋緊固套圈旋入，機臂就被卡緊限制在螺紋軸線上(圖4)。

圖4 基于OAT 模式的可折疊變形兩軸總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.5 基于OAT 模式的飛行器控制系統(tǒng)布置

雙旋翼電子控制器件有2208 1100KV 無刷電機兩個，17g數(shù)字舵機兩個，30Amini 電調(diào)兩個，除開以上其余電子控制系統(tǒng)都在主機身里，包括F3 標(biāo)準(zhǔn)版飛控、BEC 分電板、TS835 模擬圖傳、蘑菇頭天線、樂迪R9DS 接收機、微雨燕800W 像素攝像頭、以及3S4000mah 格式動力電池。

3 結(jié)論

近年來無人機市場蓬勃發(fā)展，多旋翼無人機以優(yōu)良的操控性能和可垂直起降的方便性等優(yōu)點迅速占領(lǐng)了國內(nèi)外大半市場，與固定翼飛機相比，它具有可以垂直起降，可以定點盤旋的優(yōu)點；與單旋翼直升機相比，它沒有尾槳裝置，因此具有機械結(jié)構(gòu)簡單、安全性高、使用成本低等優(yōu)點。盡管優(yōu)勢多多但也面臨著許多問題，如載重量小、續(xù)航時間短、飛行抖動、噪聲等。兩軸飛行器是未來無人機的發(fā)展方向之一，它不僅具有多旋翼無人機的所有優(yōu)點，還具有生產(chǎn)成本低、飛行噪聲小、長續(xù)航等優(yōu)點，目前雙旋翼在國內(nèi)市場幾乎是空白的，究其原因在于兩軸飛控仍不成熟，結(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺點。因此盡早投入雙旋翼的研究越利用占領(lǐng)市場，引領(lǐng)潮流。

本項目通過設(shè)計制作一款基于OAT 模式的雙旋翼折疊無人機完成了對飛行器設(shè)計制作總流程的驗證實施，對OAT 及FAAT 模式的分析比較，對折疊機構(gòu)的設(shè)計制作基本完成項目目標(biāo)，未來將繼續(xù)改進。