可垂直起降的高速飛行航模無人機的研究

柯帥

摘 要：航模是一種用于航空知識普及、理論研究、機型試驗、軍事偵查、攝影輔助等領域的不載人模型飛機，目前常見的有航模直升機和航模飛翼兩種類型，但它們都具有難以同時實現垂直起降和快速飛行兩種功能的弊端。本研究設計了一種螺旋槳可旋轉式航模無人機，可以通過伺服舵機來調整螺旋的槳角度，進而控制飛行姿態，當起降時螺旋槳軸線調整到豎直方向，當快速飛行時螺旋槳軸線調整到水平方向。此外，為了增加飛行時間，航模搭載了一套太陽能充電系統，通過安裝在機翼上的太陽能電池板將光能轉換成電能，經過穩壓電路、充電電路的處理，輸出端可以直接為鋰電池充電。以上幾項關鍵技術問題的解決，為航模無人機在更多領域的廣泛應用提供了有效的技術保障。

關鍵詞：航模 垂直起降 高速 太陽能

中圖分類號：V249 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（b）-0007-02

航模是指能夠在空中飛行的模型飛機，一般用于航空知識普及、理論研究、機型試驗、軍事偵查、攝影輔助等領域。目前常見的航模主要有航模直升機和航模飛翼兩種類型，由于兩者結構布局上的較大差異，所以具有不同的特點[1-2]。其中航模直升機安裝一個螺旋槳和一個尾槳（又稱抗扭螺旋槳），主要依靠螺旋槳的旋轉產生升力和前進的推力，尾槳用于平衡姿態，所以通常螺旋槳的尺寸較大、結構相對復雜，提供的升力也有限，只能以低速飛行，另外單螺旋槳抗風能力差，飛行不穩定，易失衡造成失控或墜機。航模飛翼又稱全翼機，采用一種有別于常規方式的氣動布局形式，沒有尾翼，并且機身的主要部分全都隱藏在機翼內，簡單說就是只有飛機翅膀的布局形式，機身和機翼融為一體，外觀呈扁平狀，這種氣動布局方式的好處在于飛行時只需提供前進的推力，機身依靠自身結構特點產生向上的升力，不足在于需要高速飛行才能產生足夠的升力，滑行起降過程對場地要求較高。

另外，現有航模飛機多采用鋰電池供電，由于受電池容量和充放電效率的限制，航模的飛行時間和飛行距離有限，飛行一段時間后就需要降落更換電池或重新充電，大大降低了飛行效率。

1 航模本體機構設計

針對現有航模無人機技術存在的垂直起降和快速飛行[3]兩種功能無法兼顧的問題，本文提出了一種全新的設計方法，利用可以旋轉的螺旋槳實現航模的垂直起降和快速飛行兩種功能，同時在機翼上安裝太陽能電池板，對鋰電池進行充電，大大增加了航模的可持續飛行時間。

為了解決以上所提出的技術問題，本文在設計過程中采用以下技術方案：垂直起降航模無人機本體包括機身、機翼、升降及飛行系統和轉向機構，整機翼展2m，整體質量3.5kg，其結構如圖1所示。

為了減輕重量、提高強度，機身和機翼采用輕木薄板和碳纖維桿作為骨架，骨架外部包裹一層碳纖維外殼，既能提高機身強度，又能降低飛行阻力，機身骨架內部有用于安裝其他控制部件的機艙[4]。機翼包括主翼、主翼副翼、尾翼和尾翼副翼，主翼和尾翼可以通過特有的空氣動力學設計為飛機提供飛行升力，主翼副翼和尾翼副翼安裝在主翼和尾翼末端，可以在轉向系統的作用下，繞機翼小角度擺動，來調整飛機的飛行姿態。升降及飛行系統包括兩個可旋轉的螺旋槳和一個風扇式涵道，螺旋槳可以通過旋轉舵機來調整姿態，當航模在完成起降動作時，將螺旋槳軸線調整到豎直方向，就可以實現垂直起降，而在飛行過程中，只需要將螺旋槳軸線調整到水平方向，就可以快速飛行，調整過程在飛行時就可以完成。固定安裝在機體尾部的涵道，其功能是在起降時與螺旋槳配合維持機身的平穩。

2 控制系統研究

2.1 硬件組成

航模的硬件系統主要包括電動機、微型伺服舵機、電子調速器和飛行控制模塊[5]。其中電動機采用高轉速無刷電機，電阻低，高能效，最大功率可達300W，額定轉速達3000轉/min，同時電機配有12-8APC尼龍兩葉折疊螺旋槳，產生的凈推力為15N。整機配有4個數字舵機，采用銀燕90508式數字舵機，它們分別控制主翼副翼和尾翼副翼，該型號電機質量小，能耗低，響應迅速，最大工作電流僅為0.5A，最大輸出拉力為8N。電子調速器用于調節電機的輸入電流，當輸入一個控制信號給電子調速器時，電子調速器中的放大器會通過“增益控制單元”和“復位單元”把控制信號變成輸出電流的大小，輸出電流大小直接決定著無刷電動機和伺服舵機的轉速、轉矩，進一步控制飛機的飛行姿態，電子調速器采用最大輸出電流為40A的型號，額定工作電壓為7.4～14.8V，最大輸出功率550W。

飛行控制系統是整個航模硬件部分的核心，通過它可以控制航模的飛行姿態和飛行軌跡，具有遙控操作和自主運行兩種控制模式[6]。系統發出指示信號給電子調速器，進而控制電動機、舵機的輸出轉速和轉矩，同時系統也可以接收傳感器反饋的信號，根據反饋信息對飛行姿態進行微調。飛行控制系統由三軸陀螺儀、三軸加速度計和一個ARM處理器組成，在飛行過程中可以對航線進行校準，靜態角度分辨能夠達到0.1°，而且具有內置保護程序，確保整個系統具有故障自檢功能，對航線進行記憶，在失控條件下能夠自主返航。

2.2 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊安裝在機體內部，通過一根高頻天線與地面基站進行通訊，傳輸系統分為無線數據傳輸和無線圖像傳輸。數據傳輸通道采用頻率為433MHz的收發一體電臺，該數傳電臺工作電壓5～7.4V，最大功率為0.25W，地面傳輸距離大于1.5km，地空傳輸距離大于10km。無線圖像傳輸采用2.4G發射電臺，工作電壓3.3～5.5V，最大發射功率0.5W，可同時傳輸音頻和視頻。

3 太陽能充電系統

由于機身翼展達到2m左右，尺寸較大，電池電量消耗快，電池滿電量情況下飛行時間在30min左右，為了增加續航時間，利用太陽能充電系統為鋰電池進行充電，該系統包括太陽能電池板、穩壓電路和鋰電池充電器[7]，如圖2所示。太陽能電池板安裝在主翼上表面，利于最大程度吸收光照，輸出端由主翼內部進入機身與穩壓電路、充電電路相連，最終為鋰電池充電。

太陽能板采用的是4塊9V的單晶硅電池板，與鋰電池串聯在一起形成閉合回路，當光照強度在5×104kV以上時，輸出電壓在30V左右，由于太陽能電池板直接輸出的電壓是不穩定的，需要經過穩壓電路進行穩壓，穩壓電路有效輸入電壓在3～36V之間，而輸出電壓值根據鋰電池充電電壓要求進行設置，實際輸出為16.8V，可以直接為鋰電池實時充電。此外，在穩壓器與鋰電池之間串聯一個單向導通二極管，避免在光照不足時，鋰電池兩端電壓大于充電電壓，形成反向導通回路放電，充電電路如圖3所示。

4 結語

本研究設計的具有垂直起降和高速飛行兩種功能的航模無人機，可以通過控制螺旋槳的姿態來實現不同功能，有效解決了傳統航模機型兩者不能兼顧的弊端，大大提高了航模無人機的飛行適應能力。另外，太陽能充電系統可以在飛行過程中為鋰電池進行充電，通過穩壓電路、充電電路將太陽能電池板輸出的不穩定電壓轉換為恒壓輸出，直接為鋰電池進行充電。

由于實現了垂直起降和快速飛行兩種功能，同時太陽能充電系統又可以提高航行時間，這些關鍵技術為航模無人機在更多領域的廣泛應用提供了技術保障。通過搭載有效的巡檢設備，比如云臺攝像機、紅外熱像儀和激光掃描儀等，航模的功能將不僅僅局限在飛行任務上，可以實現更多的功能。

參考文獻

[1]李磊.無人機技術現狀與發展趨勢[J].硅谷，2011（1）：46.

[2]劉鵬，彭艷鵬，鄒秀瓊.我國無人機航攝系統現狀和前景[J].地理空間信息，2010，8（4）：4-7.

[3]周宏霞，劉斌，呂鎖寧.飛翼布局飛行器結構特性分析[J].固體火箭技術，2014（3）.

[4]李小勇，張淼等.翼身融合飛機的空氣動力學研究進展[J].飛機設計，2007，27（2）.

[5]李一波，李振，張曉東.無人機飛行控制方法研究現狀與發展[J].飛行力學，2010，29（2）：1-9.

[6]陳遠炫，裴海龍，陳勇.小型無人機飛行控制系統的硬件設計與實現[J].計算機工程與設計，2010（10）.

[7]趙雅蕓.一種太陽能充電控制器的設計[J].長江大學學報（自然版），2013（9）.