一種長航時航拍多旋翼無人機總體方案的設(shè)計

麥智鵬，曹懌男，洪郭彬，黃 榮

（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建 廈門 363105）

1 航拍無人機簡介

無人機是指通過無線電遙控設(shè)備或機載計算機程控系統(tǒng)進行操控的人工遙控或程序自主控制的飛機統(tǒng)稱，因其獨特的視角、便攜性優(yōu)勢以及到達性優(yōu)勢在新聞傳播領(lǐng)域循序普及，為受眾帶來了全新的視覺信息和視覺效果[1]。

在我國各領(lǐng)域信息化建設(shè)均飛速發(fā)展的形勢下，數(shù)字城市、數(shù)字國土等數(shù)字化建設(shè)已取得一定的成果。制約動態(tài)監(jiān)測的首要因素是能否具備實用化的，高分辨率，連續(xù)穩(wěn)定并能快速接收使用的監(jiān)測數(shù)據(jù)源。未來航拍無人機有很大市場前景。

航拍無人機是民用消費級無人機中非常流行的應(yīng)用領(lǐng)域。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的熱潮中，通過搭載高清攝像頭，小型無人機可以在高空拍攝和錄制影視素材，包括極限運動航拍作品、風(fēng)景航拍作品以及商業(yè)宣傳片等，無人機航拍在社區(qū)視頻平臺中愈加受歡迎。

航拍能反映一個地區(qū)、一個區(qū)域的全貌，它在很多領(lǐng)域都具有廣闊的市場需求。航拍技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事、交通建設(shè)等方面。

2 總體設(shè)計

2.1 性能要求

目前本實驗小組使用的飛行實驗平臺為DJI“悟Inspire 2”，該機型為大疆創(chuàng)新公司行業(yè)級產(chǎn)品。其最大起飛質(zhì)量4.25 kg，有效載荷為0.81 kg，續(xù)航時間23 min。雖然其總體性能在四旋翼航拍無人機中領(lǐng)先，但其續(xù)航能力是其最大致命點，見表1。

表1 “悟Ins pire 2”四旋翼無人機技術(shù)數(shù)據(jù)

因此，基于實驗室對DJI主流四旋翼無人機的組裝和裝載情況飛出的基本數(shù)據(jù)，提出下列設(shè)計指標(biāo)，見表2。

表2 設(shè)計指標(biāo)

2.2 提出方案

結(jié)合研究的基本要求和以上的性能指標(biāo)，提出以下改進方案：為了提高續(xù)航能力，將大幅度減小機身質(zhì)量，采用碳纖維材質(zhì)打造機身；為了提高飛行時間，采用大容量鋰電池為無刷電機供電；為了提高無人機升力，采用1655大型號螺旋槳；為減小無人機運輸體積，采用可折疊式懸臂，實現(xiàn)懸臂90°折疊機身，壓縮無人機運輸體積；為增強無人機一體性，減少起落架及懸臂拆裝，采用機械臂一體設(shè)計，使得起落架收放可以通過懸臂折疊一體式收放。同時，放下懸臂時可以將起落架90°垂直地面，收回時可與懸臂平行，減少無人機運輸橫向體積；設(shè)計無人機外殼，為電路提供外界環(huán)境保護。

綜上所述，本文將對長航時，便攜式一體多旋翼航拍無人機進行總體設(shè)計，方案草圖如圖1所示。

2.3 基本飛行任務(wù)剖面

飛行任務(wù)剖面，為完成某一特定飛行任務(wù)而繪制的飛機航跡圖形，無人機設(shè)計參數(shù)的重要依據(jù)，也是表達航拍時，無人機所要經(jīng)歷的任務(wù)階段，圖2為基本任務(wù)剖面圖，在垂直起飛階段通過無刷電機帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動，進行爬升，在懸停階段，可進行多方位的航拍，最后垂直下降階段，電機速度減緩，無人機緩慢下降。

2.4 總體布局

由以上提出的方案對飛機總體布局進行設(shè)計，飛機采用方形布局形式，該布局重心處于機身平衡點，符合靜穩(wěn)定特性，如圖3所示。當(dāng)四個旋翼的轉(zhuǎn)速相等的時候它們對機體的合扭矩作用為零，通過控制每個旋翼的旋轉(zhuǎn)速度從而改變升力，使旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的升力等于無人機自身的重力，此時無人機處于懸停狀態(tài)[2]。最終確定出本架多旋翼無人機的總體布局方案：四懸臂各種相同長度，互相垂直，間隔90°。能源系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、位于機身內(nèi)部。

2.5 基本參數(shù)的確定

機身軸距為兩個電機軸之間的距離，整體直徑為兩個電機軸之間距離加上螺旋槳長度，整體高度確定由裝載云臺相機的大小確定，負(fù)載通過升力及重力確定，具體數(shù)值如表3所示。

表3 機體參數(shù)

2.5.1 主體設(shè)計

1）無人機的主體為機身外殼、電池、飛控組成的機身部分，機身均勻分配質(zhì)量，使得重心保持八邊形機身中心位置，維持飛行平穩(wěn)[4]。同時設(shè)置機身外殼，保護在潮濕天氣下內(nèi)部飛控系統(tǒng)、電路正常運行，飛控主控與飛控PMU放在無人機上板上，GPS與電池放在無人機下板上，充分利用機身內(nèi)部空間，如下頁圖4～圖7所示。

2）關(guān)于懸臂設(shè)計，為解決飛機運輸體積過大，攜帶不便的問題，采用機械軸臂式設(shè)計。當(dāng)無人機在運輸過程中，懸臂伸出過長，導(dǎo)致體積過大。團隊采用連桿機構(gòu)，使得軸臂可以實現(xiàn)90°順時針旋轉(zhuǎn)，最終垂直于機身，有效減少了橫向長度。

3）機身周部均勻設(shè)置有與槳葉及起落架機構(gòu)數(shù)量相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)軸安裝座，所述旋轉(zhuǎn)臂內(nèi)側(cè)端插置于轉(zhuǎn)軸安裝座上，并通過旋轉(zhuǎn)軸使旋轉(zhuǎn)臂內(nèi)側(cè)端與轉(zhuǎn)軸安裝座轉(zhuǎn)動連接，以使旋轉(zhuǎn)臂相對機身展開和收合，減小無人機運輸體積，如下頁圖6起落架收起圖所示。

4）在飛行時，為了防止飛機旋轉(zhuǎn)式的懸臂設(shè)計的關(guān)節(jié)活動性，在懸臂與機身連接處設(shè)計卡扣，當(dāng)懸臂旋轉(zhuǎn)至于機身平行之時，卡扣凸起，將懸臂鎖死，始終在飛行狀態(tài)下讓懸臂與機身保持水平，且不產(chǎn)生任何角度，不影響飛行狀態(tài)[5]。

5）在電路設(shè)計方面，在懸臂處設(shè)計了線孔，方便懸臂繞線，機身八個空位伸出電線。

2.5.2 起落架形式及相關(guān)參數(shù)

在起落架設(shè)計方面，為了減少拆裝，增強無人機“傻瓜性”、便捷性，采用一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計，起落架無需拆裝，可以與懸臂一同收放。采用工業(yè)機械臂的設(shè)計方案，當(dāng)懸臂收回時，起落架隨著連桿機構(gòu)，一同與懸臂收回垂直于機身，如下頁圖8所示。當(dāng)懸臂與機身水平用于飛行任務(wù)時，起落架也將與機身及地面保持90°應(yīng)對降落運動。

同時，起落架是讓飛機在地面停放使用的，為了能夠吸收與地面沖擊能量，保證飛機降落安全。團隊將起落架進行了弧度設(shè)計，采用ABS 3D打印材料。該材料具有一定彈性，可發(fā)生彈性形變，增強了受力時間，有效減少飛機降落與地面接觸而帶來的沖量，從而減少沖擊力，減少沖擊對機體損傷。起落架與懸臂靈活連接，連接處為快拆設(shè)計，并且根據(jù)不同的任務(wù)需求可搭配不同的支撐桿。

2.6 配件的選擇

2.6.1 無刷電機

采用5008無刷電機型號為TYI-5008 335 kV，工作電壓24 V，單個最大拉力為2 830 g，見表4。

表4 無刷電機性能

螺旋槳的選擇遵循發(fā)動機和多旋翼給出的數(shù)據(jù)合理匹配，四個螺旋槳采用1655型號，可折疊式螺旋槳。50%油門功耗100.8 W，單個5008電機為162 g，可以提供1 222 g的拉力。

專業(yè)級無人機至少需要4～6個無刷電機來驅(qū)動無人機的轉(zhuǎn)子，通過電機驅(qū)動控制器來控制無人機的速度和方向。多旋翼的電機最大拉力總和不應(yīng)低于無人機總重的1.5倍。所以，當(dāng)搭載Zenmuse X7云臺時，（4×1 222）÷2 759=1.77＞1.5，且電流遠(yuǎn)小于電池釋放的最大電流，功耗比較小，滿足上述條件，選型合適。

2.6.2 電池

電池將采用大容量鋰電池為無刷電機提供電能，電池圖片和電池參數(shù)見表5。

表5 電池性能指標(biāo)

電池續(xù)航方面計算：

50%油門消耗，平均每個無刷電機消耗4.2 A×50%=2.1 A，四個無刷電機消耗2.1×4=8.4 A。

當(dāng)風(fēng)速一定時，爬升過程中遇到大風(fēng)需要協(xié)調(diào)，油門消耗可達70%。單個無刷電機消耗電流：4.2 A×70%=2.94 A；四個無刷電機消耗電流：2.94 A×4=11.76 A；大容量鋰電池每小時釋放：1.5 Ah×60且存在一定時間懸停狀態(tài)，所以續(xù)航時間約為80 min。

2.7 生產(chǎn)制造工藝和材料的確定

需要進行加工的主要為主體結(jié)構(gòu)和外殼，其他部件、標(biāo)準(zhǔn)件可以通過打印件連接。

由碳纖維板和銅柱組成，碳纖維板采用CNC/雕刻機，對碳板進行切割加工。外殼：采用3D打印，材料為光敏樹脂或者PLA、ABS。

3 有限元分析

使用ANSYS軟件進行仿真分析，檢驗起落架結(jié)構(gòu)的強度、剛度和運動過程結(jié)構(gòu)的變化，避免在降落過程中，造成起落架的損壞。

根據(jù)下頁圖8總變形圖可以看出機體在飛行狀態(tài)下最大變形出現(xiàn)在起落架底部，最大形變量為0.000 106 3 m，最大形變量處于材料的運行的范圍內(nèi)，符合其要求。下頁圖9應(yīng)力云圖可以看出機體的最大值位于軸臂連接處，其大小為4.249 1×107Pa，明顯低于對應(yīng)材料ABS的許用應(yīng)力值24.5 MPa。

根據(jù)圖10總變形圖可以看出機體在靜態(tài)狀態(tài)下最大變形出現(xiàn)在機架上，最大形變量為0.000 302 1 m，最大形變量處于材料的運行范圍內(nèi)，符合其要求。根據(jù)圖11應(yīng)力云圖可以看出機體的最大值位于軸臂連接處，其大小為1.219 7×107Pa，明顯低于對應(yīng)材料ABS的許用應(yīng)力值24.5 MPa。

4 結(jié)論

本課題對主流多旋翼無人機進行改進，一是采用碳纖維材質(zhì)打造機身，替代鎂鋁合金機身設(shè)計；二是使用電池容量為15 Ah迪普威DC-241500型號電池；三是采用機械軸臂式設(shè)計，采用連桿機構(gòu)保證機械軸垂直于機身；在結(jié)構(gòu)處設(shè)計了卡扣，將懸臂鎖死，保證機械臂與機身水平，不產(chǎn)生飛行角度；機械臂上留有線孔，可用于電機的電線繞線。對主流多旋翼無人機全方面的升級后，一是其機體整體質(zhì)量減輕，續(xù)航能力顯著增強，續(xù)航時間從27 min延長到80 min；二是連桿機構(gòu)使得軸臂可以實現(xiàn)90°順時針旋轉(zhuǎn)，最終垂直于機身，減少了橫向長度，解決了無人機攜帶不便的問題。