淺析多旋翼無人機系統(tǒng)技術改進

金昱洋 王智超 曲以春

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.07.013

摘 要：近年來，多旋翼無人機發(fā)展迅速，因操作簡單、攜帶便捷、成果多樣，被廣泛應用于國家發(fā)展建設的多個領域。該文從多旋翼無人機全系統(tǒng)出發(fā)，依次提出了動力系統(tǒng)、機體主要承力部件、后期數(shù)據(jù)處理、信道通信和任務云臺等方面限制多旋翼無人機發(fā)展的諸多瓶頸問題和現(xiàn)有不足，并針對以上問題進行具體分析和技術研究，同時提出技術改進意見。

關鍵詞：多旋翼無人機 發(fā)展瓶頸 技術改進

中圖分類號：V27 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（a）-0013-04

Technological Improvement of Multi-Rotor UAV

Jin Yuyang Wang Zhichao Qu Yichun

（61206 troops，Dalian Liaoning，116023，China）

Abstract：Recent years， multi-rotor Unmanned Aerial Vehicle develops fast and has a wide range of applications in national development and construction. Aiming at a series of developing bottlenecks of multi-rotor UAV， this paper expounds technological researches and puts forward suggestions of dynamic system， main load-bearing components， post data processing， channel communication and pan-tilt platform for improvement.

Key Words：Multi-rotor UAV； Developing bottlenecks； Technological improvement

多旋翼無人機具有完成任務多樣、體積小、重量輕、方便攜帶和運輸?shù)葍?yōu)點。該型無人機可以拍照、攝像，成果可以生成三維模型、正射影像，還可以通過后期軟件進行成果的二次應用[1]。但在多旋翼無人機迅速發(fā)展的同時，諸多制約發(fā)展的瓶頸問題愈發(fā)的凸顯，這些問題將在該文列舉和分析，并提出改進意見。

1 動力系統(tǒng)

多旋翼無人機均采用電池供電，續(xù)航時間是20～50 min，掛載1 kg以上的任務云臺，飛行時間會明顯減少至15～30 min。如圖1所示多旋翼無人機的4種通用電池。

多旋翼無人機依據(jù)目前的技術水平只能采用電池供電，通過電池帶動高性能電機和螺旋槳旋轉，以產(chǎn)生足夠飛機飛行機動的動力。目前電池供電的問題是飛機滯空時間短，這個問題制約了飛行效率，只能依靠多架次的飛行來彌補。

1.1 增大電池容量的可行性分析

（1）從安全層面考慮，大容量電池現(xiàn)在受到多重制度管制，公共交通運輸工具不允許攜帶容量大、放電能力強d的電池；一般電池生產(chǎn)廠家也不允許生產(chǎn)過大容量的電池，所以從制度層面是不可行的。

（2）增大電池容量會線性增加電池的重量，進而直接增加飛機的起飛重量，飛機的起飛重量一旦增加，續(xù)航時間就會顯著縮短。

所以，簡單的增大電池容量是不可行的。

1.2 采用燃油動力系統(tǒng)的可行性分析

化石燃料熱值高，作為燃料會極大地增強飛行器的續(xù)航能力，然而多旋翼飛機很難像固定翼飛機一樣采用化石燃料提供動力。原因在于，固定翼飛機以燃油產(chǎn)生的能量需要通過1套或2套傳動裝置帶動螺旋槳旋轉，進而產(chǎn)生飛行動力。多旋翼飛機，以六旋翼飛機為例，如果采用燃油發(fā)動機，就需要6套傳動裝置同時連接發(fā)動機獲取動力，進而帶動6個螺旋槳旋轉產(chǎn)生飛行動力。多套傳動裝置的重量極大地增加了起飛重量；傳動過程中齒輪間摩擦帶來的能量損耗極大地降低了發(fā)動機的工作效率，所以，燃油發(fā)動機做了大量的額外功、效率低下，同時也無法滿足無人機小型化的發(fā)展趨勢[2]。

綜合以上的分析，動力系統(tǒng)的改進必須依靠高性能電池的發(fā)明和生產(chǎn)，重量輕、容量大的電池必然會帶來多旋翼無人機領域的革命。

2 機體主要承力部件

飛機材料的受力強度是檢驗飛機性能是否可靠的重要指標，也是飛機能否安全飛行的重要保障[3]。飛機的強度主要體現(xiàn)在電機的強度，電機與飛機臂連接座的強度，飛機機體的強度，這3個位置是飛機飛行的主要受力部位。以上部位一旦出現(xiàn)問題，飛機輕則降落受損，重則墜機。

2.1 影響電機強度的因素

2.1.1 電機旋轉不共面對電機強度的影響

電機經(jīng)過一段時間的使用會出現(xiàn)轉子松動，使電機的旋轉不在同一平面上，導致螺旋槳做額外功，降低工作效率，還會導致轉子與電機周邊發(fā)生磨損，使電機越旋轉越不共面，越工作效率越低。所以，電機質量是非常重要的，而且飛機在每次飛行前都必須對電機進行共面檢查。

2.1.2 電機安裝不水平對電機強度的影響

電機的安裝是無法保證絕對水平的，旋轉著的不水平的電機產(chǎn)生的升力不是垂直向上的，會產(chǎn)生較大的水平方向的分力，飛機的飛行控制系統(tǒng)就會自動調節(jié)，6個電機的轉速，使飛機整體時刻保持平衡狀態(tài)，這種調整就會使各電機的轉速明顯不一致。長期地轉速不一致和螺旋槳不水平旋轉會導致個別電機出現(xiàn)轉子松動的現(xiàn)象。

綜合以上兩部分的分析，多旋翼飛機的一個優(yōu)化方向就是出廠前應該做好電機的水平調整，并且一旦調整水平就緊固。用戶在使用時只需組裝螺旋槳，不需要調整電機和電機座，這樣提高工作效率的同時也延長了飛機電機的使用壽命。如圖2所示，飛機每一次飛行前需用水平尺調整電機水平。

2.1.3 電機轉速不一致對電機強度的影響

多旋翼飛機為了保持飛行的平衡，避免陷入自旋狀態(tài)，電機的排序是按照順時針、逆時針交替分配的，在飛機飛行時共同產(chǎn)生向上的升力，相互抵消產(chǎn)生的水平分力[4]。但是根據(jù)實際飛行經(jīng)驗，逆轉電機與順轉電機的轉速是不相等的，而且始終是逆時針旋轉電機的轉速要快于相應的順時針旋轉的電機，每一個架次的飛行統(tǒng)計數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)這樣的規(guī)律，而且緯度越高這種差異會呈現(xiàn)變大的趨勢。地球自西向東的自轉對高速旋轉的電機產(chǎn)生微弱的影響，而且這種差異肉眼不可見，只能通過數(shù)據(jù)分析。（見圖3～圖8）。

圖3、4、5和圖6、7、8分別為多旋翼無人機在遼寧省大連市（北緯39°）和內蒙古自治區(qū)蘇尼特右旗（北緯42.4°）兩次飛行的電機轉速數(shù)據(jù)，橫軸為時間，豎軸為電機轉數(shù)。圖3、6為1號、2號電機的轉速數(shù)據(jù)，圖4、7為3號、4號電機的轉速數(shù)據(jù)，圖5、8為5號、6號電機的轉速數(shù)據(jù)。其中1、3、5號電機為逆時針旋轉電機；2、4、6號電機為順時針旋轉電機，電機按照由1～6的順序，逆轉順轉交替排序。據(jù)圖分析，在這兩地各逆轉電機均要快于相應的順轉電機。在北緯39°地區(qū)，逆轉電機平均比順轉電機每分鐘快500～1 000 r；在北緯42.4°地區(qū)，逆轉電機平均比順轉電機每分鐘快1 000～2 000 r，差距十分明顯。

由此可以得出結論：在北半球，逆轉電機比順轉電機轉速高，緯度越高，順逆轉速的差值越大，在北極這種差異會達到最大；在赤道，差值為零，即順、逆轉電機轉速會大致相當。在南半球，這種情況會剛好反過來，順轉電機轉速會快于逆轉電機，而且越靠近南極，差值越大，越靠近赤道，差值越小。

所以，順逆旋轉的電機經(jīng)過一段時間的使用，其磨損程度是不同的，在北半球使用多旋翼無人機要尤其關注逆時針旋轉電機的磨損，并注意保養(yǎng)和更換。

2.2 電機連接座的強度

機身與電機連接座是飛機的重要承力部件，這些部件直接保障著飛機的飛行質量，一旦損壞，飛機就無法完成飛行任務。多旋翼無人機的一個技術優(yōu)勢就是：一個或不是同一側的兩個電機損壞、飛機機臂損壞或電機連接座損壞，只要損壞的部分不影響其他電機的旋轉，飛機都能夠通過飛控系統(tǒng)自動保持姿態(tài)平衡，進行迫降，從而可以極大地減少裝備損毀（見圖9）。

飛機的技術優(yōu)勢不能夠代替材料的強度，依然要從制作工藝和材料的選擇上，選擇并制造質量輕而且強度大的電機連接座。

2.3 飛機機體的強度

現(xiàn)在的多旋翼無人機的機體采用鋁鈦合金和碳纖維材料[5]，質量輕、強度大，體現(xiàn)出了卓越的性能，非常適合多旋翼無人機。目前機體材料已經(jīng)發(fā)展到較高水平了。

3 后期數(shù)據(jù)處理

無人機航攝飛行可以獲取像片、視頻兩種重要的一手資料，一手資料通過數(shù)據(jù)處理目前可以得到真三維模型、影像圖（包括彩色影像、彩紅外影像、黑白影像等等）和剪輯視頻等后期成果，個別性能較好的軟件可以在以上成果的基礎上進行分析、判讀、決策等更高級別的二次應用。

現(xiàn)在市場上使用的無人機航攝飛行數(shù)據(jù)處理軟件均為國外生產(chǎn)的，我國目前還沒有成熟的而且具備自主知識產(chǎn)權的數(shù)據(jù)處理軟件。

國外的數(shù)據(jù)處理軟件，數(shù)據(jù)處理的周期依然較長。如果快速獲得數(shù)據(jù)成果就需要犧牲成果質量；如果需要得到高質量的成果就需要大量的數(shù)據(jù)處理時間。現(xiàn)在還不能夠實現(xiàn)高質量成果的快速處理。

4 信道通信

4.1 通信頻率

目前我國多旋翼無人機支持的點對點傳輸頻率是2.4 GHz和5.8 GHz，而飛機遙控器與飛機之間、地面站與飛機之間都是點對點進行傳輸?shù)腫6]。為了節(jié)約制造成本，飛機生產(chǎn)廠商在飛機與地面站和遙控器之間都統(tǒng)一采用2.4 GHz或5.8 GHz的通信頻率，而且頻率范圍接近。一般遙控器的信號發(fā)射功率要遠大于地面站的電臺，在實際飛行過程中，如果遙控器與地面站相距較近，遙控器會直接搶占并干擾地面站頻率，導致飛機與地面站失聯(lián)，使地面站無法實時監(jiān)控飛機飛行狀態(tài)，增加飛機飛行的安全隱患。

兩種通信之間應當避免頻率范圍過近，甚至有交集，調整二者通信頻率使之產(chǎn)生一定的間隔，就可以有效地避免地面站與飛機失聯(lián)的情況發(fā)生。

4.2 通信功率

在有復雜電磁環(huán)境或有較強磁干擾的區(qū)域執(zhí)行飛行任務時，飛機容易出現(xiàn)與遙控器、地面站雙失聯(lián)的情況，造成失聯(lián)返航或失聯(lián)迫降的情況發(fā)生，導致無法執(zhí)行任務或飛行事故。所以，增強天線的發(fā)射功率、強化各信道通信的抗干擾能力是完成復雜電磁條件下飛行的重要保證。

5 任務云臺

目前來講，多功能集成平臺只能滿足一般攝影需求，無法滿足測繪等更高級別應用需求。拍攝精度高、成果質量好的任務云臺一般功能比較單一，只能拍照或是攝像，不能同時具備拍照、攝像和實時傳輸?shù)裙δ埽ǔ８鶕?jù)專項任務掛載專項平臺，所以，完成任務能力大大受限。

云臺需要同時集成拍照、攝像和數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)裙δ埽揖雀摺Ⅲw積小、重量輕、抗撞擊、具備防雨能力。這種綜合性、通用性的任務云臺，會是未來多旋翼無人機云臺的重要發(fā)展方向[6]。

多旋翼無人機的任務云臺還可以根據(jù)任務的需要進一步攜帶科技含量更高的遙感器，比如：合成孔徑側視雷達、紅外線熱成像儀、高清夜視儀、多光譜掃描儀等等，為完成多樣化的任務提供了可能。

6 結語

該文結合使用多旋翼無人機的經(jīng)驗和體會，從多旋翼無人機的動力系統(tǒng)、機體主要承力部件、后期數(shù)據(jù)處理、信道通信以及任務云臺等幾個方面列舉分析了制約多旋翼無人機發(fā)展的瓶頸問題，探討研究了技術改進方法，為多旋翼無人機下一步的發(fā)展具有較強的指導和借鑒意義。

參考文獻

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