一種野外救援光伏無人機設計

王春旭 秦燕 卿曉梅 李清

摘 要：本文設計了一種基于光伏發(fā)電技術的野外救援無人機，主要從供電、控制、結(jié)構(gòu)三個方面進行設計。整體采用飛翼布局，并在機翼后掠上表面鋪設半柔性單晶太陽能電池板。機艙帶有兩塊鋰電池。在飛行過程中，太陽能電池板輪流給鋰電池充電，鋰電池輪流給設備供電。這種野外救援光伏無人機具有體積小、續(xù)航時間長、飛行靈活、攜帶方便等優(yōu)點，具有良好的實用價值。

關鍵詞：光伏無人機;續(xù)航時間;飛翼布局;鋰電池

Abstract： This paper designed a field rescue UAV based on photovoltaic power generation technology， mainly from three aspects of power supply， control and structure. The overall layout is flying wing， and semi flexible single crystal solar panels are laid on the swept upper surface of the wing. There are two lithium batteries in the cabin. During the flight， solar panels charge lithium batteries in turning， and lithium batteries power equipment in turn. This kind of photovoltaic UAV for field rescue has the advantages of small volume， long endurance， flexible flight， easy to carry， and has good practical value.

Keywords： photovoltaic UAV; endurance; flying wing layout; lithium battery

當前，越來越多的年輕人喜歡戶外運動，但同時，戶外遇難人數(shù)也逐年升高，給救援工作帶來了極大壓力。而使用無人機參與人工救援，會大大提升搜救效率。無人機巡查效率高，巡查面積大，能為受傷人員爭取寶貴時間[1]。但是，由于戶外運動多在偏遠山區(qū)，電力緊缺，供電不便，因此無人機充電成為一大難題，并且大面積山區(qū)需要無人機長時間巡航，一般小型無人機沒有如此長的續(xù)航能力?；诖耍疚脑O計了一款野外救援光伏無人機。該無人機具有續(xù)航時間長、工作穩(wěn)定、飛行平穩(wěn)、造價低廉、方便攜帶等特點，同時可以隨時使用太陽能充電。

1 設計方案

1.1 總體設計

野外救援光伏無人機機體采用飛翼式布局，單位面積載重相較于普通無人機更大，飛行效率更高，機體可搭載太陽能電池板的面積比例也更大。機翼機身直接固定，減少需要的連接件，整體更加牢固，同時還減輕了重量，保留了各種電子設備的安裝拆卸空間和安裝孔，為以后電子器件的維修和替換提供便利。飛機前后擁有兩個設備艙，增減無人機設備時，方便調(diào)整無人機的重心。機翼后翼面搭載太陽能電池板，避免無人機降落過程中損壞太陽能電池板?？傮w設計如圖1所示，分為供電設計、控制設計、結(jié)構(gòu)設計三部分。

1.2 供電設計

供電設計主要由兩部分組成，分別是鋰電池供電與太陽能電池板充電。鋰電池是飛機起飛或緊急情況下的主要動力來源，起飛后巡航時的補充能源，降落后太陽能電池板的儲能裝置。本設計采用10 000 mA·h鋰聚合物電池，放電倍率15C，標準電壓14.8 V，最大電壓16.8 V，安全持續(xù)放電電流10 A左右[2-3]。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由2塊50 W和2塊20 W半柔性太陽能電池板并聯(lián)組成[4]，共140 W。

供電系統(tǒng)原理如圖2所示。電源部分由2塊鋰電池和4塊太陽能電池板組成，當1號鋰電池給無人機動力系統(tǒng)供電時，2號鋰電池接受太陽能電池板產(chǎn)生的電能，當正在給電機供電的鋰電池低于安全使用電壓14.8 V時，飛控發(fā)出信號給電子繼電器，電子繼電器讓動力系統(tǒng)接通2號鋰電池并在30 s后斷開1號鋰電池，1號鋰電池瞬間接通太陽能電池板充電線路，太陽能電池板給1號鋰電池充電。如此重復，直到兩節(jié)鋰電池電壓都低于14.8 V，操作人員選擇合適地點降落。

1.3 控制設計

無線電接收端是飛機接收操縱者發(fā)出的信號裝置，選用2.4G傳輸。該無人機采用F405 WING飛控，該飛控高度集成氣壓計、電壓電流計、陀螺儀、加速度計、（On Screen Display）模塊、降壓模塊等，具有體積小、重量輕、安全可靠的特點。

該無人機IMU（Inertial Measurement Unit，慣性傳感器）選用MPU6000，氣壓計選用BMP280，GPS選用NEO-M8N，OSD選用INAV OSD w。除此之外，還有電壓計、電流計、電子調(diào)速器、舵機、信號轉(zhuǎn)換器、電子繼電器等。

電機是飛機的動力來源，本設計選用無刷電機，根據(jù)飛機尺寸和推力需求，選擇了外轉(zhuǎn)子型號4820電機。該電機KV值650，適用電壓11～26 V，在電壓14.8 V時為13 616 r/min，適用43.3 cm槳，在電壓18 V時為16 560 r/min，適用46.6 cm槳[5]。無人機巡航大約需要50%油門，供電電壓在14～18 V，考慮到槳效等問題，本設計采用46.6 cm槳。

運動相機是飛機的“眼睛”，選擇運動相機對目標物或人進行監(jiān)視觀察，另外，配置高清晰度的長焦鏡頭。在圖傳發(fā)射端，無線圖傳選用TS353-400mW發(fā)射端，頻段為5.8 GHz，滿足一般飛行無線傳輸需要，在實際運用中，還可以根據(jù)搜索距離更換更大功率的圖傳。

數(shù)傳采用無人機專業(yè)數(shù)傳，用于實時檢測和調(diào)整無人機電子設備參數(shù)。

機腹帶有電子投放器，可飛至受困人員上方投放小型GPS定位儀，救援隊根據(jù)接收的GPS信號快速抵達救援地點。

除此以外，還有地面站部分，包括2.4 G遙控、5.8 G的圖形接收終端以及顯示屏。

1.4 結(jié)構(gòu)設計

機頭部分如圖3所示。飛機前艙長50 cm，寬15 cm，而機艙田上方的EPP板構(gòu)成。EPP板具有可彎折、易加工、受力形變可復原、堅韌不易斷裂等優(yōu)點。前方成半圓形，防止降落受力集中于一點，造成損壞，同時減少風阻[6]。

飛機前艙下底面采用兩層木板夾泡沫板的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。上木板為竹編板，韌性強，耐彎折，中間為泡沫板，吸收沖擊力，下木板為膠合板，硬度高，中間用泡沫膠黏合，下底板采用長110 cm、寬15 cm、厚5 mm的復合木板。飛機正常著陸時，一般是減震泡沫先著地，起到快速停止的作用，減輕內(nèi)部電子設備所受的沖擊力，保護機頭，防止受力形變。木板上表面與左右兩機翼黏結(jié)處下表面膠合固定，且機翼下表面嵌入4根碳纖維管加固，碳纖維管通過工程塑料管夾直接固定在下木板上。重要電子設備如飛控、圖傳設備以及大部分傳感器都位于機腹部上方，兩機翼梁附近，受到重重保護，受到的沖擊力很小。機尾部電機直接固定于復合板上，與機體連接更牢固。機頭正前方有邊長為1.5 cm的正方形孔洞，內(nèi)嵌圓形鏡頭運動相機，鏡頭視角140°，2.8 mm鏡頭分辨率700 TVL，可以滿足飛行需求。如果要求對目標進行更細致的觀察監(jiān)視，還需要配置長焦高清晰度鏡頭。機艙外另有網(wǎng)格狀纖維膠帶固定，提高了機械強度。

機后艙在飛機中后部，也在飛機重心后，這部分機艙便于和無人機電機線、延長線相連，方便以后無人機電機的替換，同時選擇性搭載鐵塊，起著配平無人機重心的作用。機后艙安全性最高，因此可裝載重要的電子設備。

飛機前艙為主機艙，擁有7 500 cm3 的容量，可搭載大部分常用設備，機后艙具有1 000 cm3的容量，為副機艙，可選擇性搭載貴重設備和配重。

該無人機設計初衷為實現(xiàn)低速穩(wěn)定、易操控。由于機翼還要搭載太陽能電池板，因此機翼面積要大、重量要輕、功耗要小、效率要高。為了實現(xiàn)該目標，這里選用前緣帶有后掠角的梯形翼形，以減少飛行阻力。機翼的橫截面輪廓（翼型）選用平凸翼型。該翼型上翼面平緩，性能優(yōu)異，可以大面積搭載太陽能電池板，飛行平穩(wěn)。機翼翼根弦長65 cm，翼肋如圖5所示，翼尖弦長58 cm，翼肋如圖6所示，前緣后掠角22.5°，翼展長170 cm，面積10 540 cm2（不含副翼），重心距頂點24.51 cm。副翼為近似平行四邊形，考慮到飛機的使用途徑，選擇中等面積的副翼，約為機翼的8%，面積為830 cm2。為保證在一定靈活性的情況下使操縱更簡單，副翼可通過舵角、拉桿與舵機相連，將左右兩半機翼拼接成為完整機翼。考慮到側(cè)風天氣時的穩(wěn)定性的問題，該無人機機翼裝有3°的上反角，在飛行出現(xiàn)側(cè)滑時，使飛機產(chǎn)生反向側(cè)滑力，以迅速修正側(cè)滑。翼尖的翼梢小翼可以保持飛機航行平衡，保證轉(zhuǎn)彎在無側(cè)滑狀態(tài)下進行，在有側(cè)風著陸時保持機頭的方向。

2 理論設計計算

無人機飛行參數(shù)計算：一般巡航高度為100 m，速度為11 m/s，機翼弦長0.65 m，運動黏度為14.8×10-6 m2/s，根據(jù)公式（1）計算雷諾系數(shù)：

光伏供電系統(tǒng)共有4塊半柔性太陽能電池板并聯(lián)，每塊電壓均為18 V。根據(jù)太陽能電池板參數(shù)可得穩(wěn)定輸出電流為：[IP=2.27 A×2+1.11 A×2=7.76 A]?？紤]到生產(chǎn)工藝、實際天氣、電池虛標等問題，經(jīng)測試，白天正常功率應為計算功率的68%～80%，即95～112 W，這里以最低95 W計算。

根據(jù)前面無人機設計要求，采用UG建模得出其三維模型，如圖7所示，并將模型導入ANSYS，分析其設計合理性及該無人機各項參數(shù)。

以裝載兩塊5 000 mA·h鋰電池共10 000 mA·h容量的無人機為例，無人機的巡航速度為40 km/h，額外搭載1 kg電子設備，無人機總質(zhì)量[M]=5.2 kg，雷諾數(shù)[Re]=483 108，機翼面積[S]=1.054 m2，迎角為1°時，飛機升力系數(shù)[CL=0.72]，飛機阻力系數(shù)[CD=0.1]。

本產(chǎn)品在現(xiàn)有無人機研發(fā)的基礎上，放棄常規(guī)固定翼布局，采用更高飛行效率的飛翼布局，在同體積下提高30%～50%載重能力。該無人機擁有更好的氣動特性，采用后掠翼，減小風阻，提高巡航速度，選用兩種翼型組成混合翼，提高2°的失速臨界迎角。與普通機翼相比，該特制機翼上表面可搭載更多半柔性單晶太陽能電池板，達到機翼面積的69%。太陽能電池板給兩個鋰電池輪流充電，鋰電池再輪流為無人機供電，這兩個過程同時進行，減小了天氣對太陽能無人機的制約，是市面無人機續(xù)航時間的2～3倍，同時還增加了1.2倍巡航半徑，能夠更持久、更高效地對失蹤人員進行搜救。機翼與機身直接融合，內(nèi)部有8根高強度碳纖維桿框架，結(jié)構(gòu)強度高，在無動力狀態(tài)下能夠較平穩(wěn)地滑行和降落。飛機機腹下有電子投放器，當搜索到目標后，操作人員通過遙控器立刻投放GPS到目標地點，供搜救隊快速搜救。在人力有限的情況下，利用本產(chǎn)品可以組成更多搜救隊去搜救受困傷員，同時減少了搜救成本，因此具有較好的商用推廣價值。

參考文獻：

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