輕型無人機(jī)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

王 浩

（浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325000）

0 引言

目前，無人機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，在警用、能源、國土資源、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和應(yīng)急救災(zāi)等領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢［1-3］。根據(jù)結(jié)構(gòu)的差異，可將無人機(jī)分為固定翼無人機(jī)、直升機(jī)和多旋翼無人機(jī)，這些無人機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)。固定翼無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間長，但其操縱困難，對起降要求較高；直升機(jī)可垂直起降，自由懸停，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操縱難度最大；多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，易操作，但續(xù)航時(shí)間較短?；谀硞€(gè)項(xiàng)目的實(shí)際需求，綜合考慮各類無人機(jī)的性能差異，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款能夠在陸地和水面起降，并按照一定航線完成自主巡檢的長航時(shí)無人機(jī)，本研究詳細(xì)介紹了其設(shè)計(jì)思路、開發(fā)流程以及制作過程。

1 概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是無人機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)的第一階段，要將項(xiàng)目需求轉(zhuǎn)化為具體的性能參數(shù)，為后續(xù)開發(fā)環(huán)節(jié)確定設(shè)計(jì)目標(biāo)［4］。

第一步是明確功能目標(biāo)。根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)需求來選擇合理的任務(wù)載荷，得到載荷的質(zhì)量尺寸和性能參數(shù)。本研究要求無人機(jī)具備巡航檢查的功能，并能把圖像畫面實(shí)時(shí)傳送回地面端，因此其要搭載相機(jī)載荷模塊和圖像傳輸模塊。為了保證無人機(jī)具有較長的續(xù)航時(shí)間，所選載荷模塊應(yīng)在保證功能的前提下，其重量應(yīng)盡量最小。采用RATEL 2相機(jī)作為相機(jī)載荷，水平分辨率為1 200 TVL，水平視場角為165°，在空中有著清晰的視野。相機(jī)載荷模塊外形尺寸為19 mm×19 mm×20 mm，總重量為5.9 g。采用奈斯1.6 W圖傳作為圖像發(fā)射機(jī)，其外形尺寸為36 mm×36 mm×18 mm，總重量為27.3 g，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，且同步最大發(fā)射功率為1.6 W，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)到5 km，能夠?qū)崿F(xiàn)在大范圍實(shí)時(shí)巡檢。由于整個(gè)巡檢載荷模塊尺寸和質(zhì)量都比較小，可以考慮將其布置在尾翼附近。項(xiàng)目要求無人機(jī)能按照規(guī)劃的航線進(jìn)行自主巡航，因此，要搭載具備航線飛行能力的飛行控制模塊，本研究采用Pix-Hawk2.4.8飛控作為飛行姿態(tài)的控制單元，其外形尺寸為82 mm×51 mm×17 mm，總質(zhì)量為38 g。采用M8N GPS導(dǎo)航模塊來實(shí)現(xiàn)定位功能，采用數(shù)字差分空速計(jì)模塊來實(shí)時(shí)測量飛行速度，并搭配使用QGroundControl地面站，可進(jìn)行航線規(guī)劃，即可實(shí)現(xiàn)自主巡航的功能。

第二步是明確性能目標(biāo)。根據(jù)項(xiàng)目需求，設(shè)定無人機(jī)巡航高度為海拔高度100 m，巡航速度為16.7 m/s，最大起飛重量為1.2 kg。

根據(jù)以上兩步來確定無人機(jī)的性能參數(shù)，并結(jié)合設(shè)計(jì)與制作的可行性，初步確定無人機(jī)的主體材料為航空輕木，以滿足飛行重量指標(biāo)。

2 初步設(shè)計(jì)

根據(jù)概念設(shè)計(jì)初步確定的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，目的是為后續(xù)詳細(xì)設(shè)計(jì)限定設(shè)計(jì)范圍，這一步的關(guān)鍵是計(jì)算設(shè)計(jì)升力系數(shù)，并確定無人機(jī)的外形尺寸。升力公式［5］見式（1）。

式中：L為升力；CL為升力系數(shù)；ρ為密度；v為飛行速度；S為機(jī)翼投影面積。無人機(jī)巡航時(shí)的升力等于重力，要計(jì)算升力系數(shù)，先要確定其他參數(shù)。首先根據(jù)飛行高度，通過查詢國際標(biāo)準(zhǔn)大氣表，得到環(huán)境參數(shù)，空氣密度ρ為1.225 kg/m3，空氣黏度μ為1.8e-5，重力加速度g為9.81 m/s2。然后確定無人機(jī)的外形尺寸，從加工制作便利的角度出發(fā)，機(jī)翼選用平直翼，翼展為1 m，弦長為0.2 m，機(jī)翼的投影面積則為0.2 m2，此時(shí)計(jì)算可得設(shè)計(jì)升力系數(shù)為0.34。

初步選定NACA2412作為主機(jī)翼翼型，定速巡航時(shí)的雷諾數(shù)為227 000，分析迎角在-10°～10°時(shí)，升力系數(shù)和升阻比的變化如圖1所示。當(dāng)迎角為0°時(shí)，升力系數(shù)為0.31，小于設(shè)計(jì)升力系數(shù)，不滿足要求，因此可給機(jī)翼一定的安裝角；當(dāng)迎角為2°時(shí)，其升力系數(shù)為0.63，滿足設(shè)計(jì)要求，故機(jī)翼安裝角可給定2°，此時(shí)升力與阻力的比值為62。

圖1 翼型分析結(jié)果

無人機(jī)機(jī)身長度設(shè)為1 m，其他外形尺寸參數(shù)詳見表1。

表1 主機(jī)翼、平尾、垂尾外形尺寸參數(shù)

3 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)初步設(shè)計(jì)得到的無人機(jī)外形尺寸參數(shù)進(jìn)行氣動(dòng)分析，并驗(yàn)證升力系數(shù)是否滿足要求［6］。使用Xflr5軟件進(jìn)行仿真分析，首先對翼型NACA2412和NACA0008進(jìn)行分析，計(jì)算范圍為雷諾數(shù)從10 000至500 000、迎角從-20°至30°，得到翼型數(shù)據(jù)庫。然后以外形尺寸參數(shù)進(jìn)行建模，并對模型進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2（a）為空氣流過機(jī)翼的流線圖，平直翼的翼稍處有明顯的翼尖渦存在。圖2（b）為力矩隨迎角的變化曲線圖，曲線斜率為負(fù)數(shù)，表明該無人機(jī)滿足靜平衡的要求，其與橫軸交點(diǎn)約為2°，說明在2°迎角下作用在無人機(jī)上的力矩為零，這表明無人機(jī)巡航時(shí)需要保持2°的迎角飛行。圖2（c）為升力系數(shù)隨迎角的變化曲線圖，在2°迎角下，其整機(jī)升力系數(shù)為0.48，大于設(shè)計(jì)升力系數(shù)，計(jì)算可得整機(jī)的升阻比為18，基本滿足設(shè)計(jì)要求。對整機(jī)進(jìn)行操穩(wěn)特性分析，即考察設(shè)計(jì)無人機(jī)的動(dòng)平衡特性，經(jīng)計(jì)算可知，其橫向穩(wěn)定性與縱向穩(wěn)定性均滿足要求。

圖2 無人機(jī)氣動(dòng)分析結(jié)果

4 詳細(xì)設(shè)計(jì)

根據(jù)方案設(shè)計(jì)確定的無人機(jī)外形參數(shù)進(jìn)行圖紙繪制。首先進(jìn)行二維圖紙繪制，主要包括機(jī)翼、機(jī)身和尾翼三部分。在設(shè)計(jì)機(jī)翼時(shí)，要在1 m長的翼展上非均勻地布置15根翼肋，其中在翼根處承受較大的彎矩，因此間距設(shè)為0.05 m，其余間距設(shè)為0.08 m。為提升機(jī)翼的整體剛度，在翼肋中部和后部設(shè)計(jì)了翼梁和腹板結(jié)構(gòu)，用來加強(qiáng)。機(jī)翼前部上下表面均為木質(zhì)蒙皮，蒙皮厚度為1 mm。為減輕整體重量，在翼肋、蒙皮、腹板等零部件上設(shè)有減重孔。機(jī)身整體設(shè)計(jì)長度為1 m，共分5個(gè)艙段，從前向后分別為動(dòng)力艙、飛控艙、舵機(jī)艙、載荷艙、尾翼艙。為減小飛行阻力，機(jī)身應(yīng)盡量為流線型；為減輕重量，應(yīng)在頂板和側(cè)板開減重孔；為加強(qiáng)機(jī)身強(qiáng)度，應(yīng)在艙段的連接處設(shè)計(jì)雙層加強(qiáng)板，在底板之上設(shè)計(jì)縱向承重板，放置所有的外接設(shè)備。尾翼設(shè)計(jì)包括水平尾翼和垂直尾翼，均采用梯形布局。

在二維模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行三維裝配體的繪制，如圖3所示。通過裝配的形式可檢查各零部件的尺寸和位置關(guān)系是否符合要求。對有局部干涉或不滿足要求的零部件進(jìn)行修改和調(diào)整，最終得到可以加工的二維模型。

圖3 無人機(jī)三維模型

5 樣機(jī)制作

在完成詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行樣機(jī)制作。該無人機(jī)采用航空輕木板材為加工材料，由于不同部件使用的是不同厚度的板材，因此，整個(gè)制作過程可分為以下5步：①二維切割圖紙繪制；②零部件切割加工；③骨架組裝與連接；④熱縮蒙皮熨燙；⑤動(dòng)力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)和載荷系統(tǒng)的安裝。

使用切光切割機(jī)對輕木板材進(jìn)行加工，蒙皮板材厚度為1 mm，機(jī)翼板材厚度為2 mm，機(jī)身、尾翼板材厚度為3 mm。首先根據(jù)零部件尺寸、板材尺寸和切割機(jī)加工范圍對無人機(jī)二維圖紙進(jìn)行切割。將繪制好的切割圖傳入切割機(jī)中進(jìn)行加工，同時(shí)加工時(shí)應(yīng)注意根據(jù)不同板材厚度來調(diào)整激光頭的焦點(diǎn)，加工參數(shù)也需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，1 mm板材使用的光照強(qiáng)度為20%、加工速度為30 mm/s，2 mm板材使用的光照強(qiáng)度為30%、加工速度為25 mm/s，3 mm板材使用的光照強(qiáng)度為40%、加工速度為20 mm/s。將加工好的零部件按實(shí)際位置進(jìn)行組裝，并及時(shí)用膠水固定。在完成骨架組裝后，對機(jī)翼、機(jī)身和尾翼的外部使用熱縮蒙皮進(jìn)行包裹，可減小飛行中的摩擦阻力。最后依次完成動(dòng)力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)和載荷系統(tǒng)的安裝。無人機(jī)制作過程如圖4所示。

圖4 無人機(jī)制作過程

6 調(diào)試飛行

該無人機(jī)起落架為可拆卸式，飛行前要根據(jù)起降環(huán)境選擇安裝合適的起落架，在地面起降時(shí)安裝輪式起落架，在水面起降時(shí)安裝浮筒起落架。首先調(diào)試無人機(jī)飛行，各舵面可正常運(yùn)動(dòng)，手工操控?zé)o人機(jī)可正常完成起降、直航線、轉(zhuǎn)彎等飛行動(dòng)作。然后連接飛控，校準(zhǔn)各傳感器，在QGroundContronl地面站來完成航線規(guī)劃，然后執(zhí)行飛行任務(wù)，無人機(jī)可沿預(yù)定航線進(jìn)行定速巡航，圖片上傳工作正常，能完成巡檢工作。

7 結(jié)語

本研究根據(jù)固定翼無人機(jī)的開發(fā)流程，利用xflr5進(jìn)行氣動(dòng)分析、利用Auto CAD進(jìn)行圖紙繪制、利用Solidworks建立三維裝配模型，設(shè)計(jì)出一款輕型固定翼無人機(jī)，用激光切割機(jī)對零部件進(jìn)行加工，完成對無人機(jī)的組裝調(diào)試和飛行，并對整個(gè)過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析和描述，可以為同類研究提供參考。