四旋翼垂直起降固定翼飛行器設計

匡銀虎　劉明遠　石礦林

【摘 要】四旋翼垂直起降固定翼飛行器兼具多旋翼飛行器和固定翼飛行器的優點，能夠垂直起降、定點懸浮，還可以高速巡航飛行，是極具發展潛力的新型飛行器。以四旋翼與固定翼相結合的總體設計思路，應用AutoCAD和Profili設計軟件，經過反復的試驗，設計并制作出了能夠實現垂直起降功能的模型飛機。并且通過對APM飛控源碼的深入研究，利用Arduino語言編寫了飛行器的控制代碼，在APM 中新增了垂直起降模式，最終實現了多旋翼與固定翼的轉換。

【關鍵詞】模型飛機；垂直起降；APM自駕儀

垂直起落技術顧名思義就是飛機不需要滑跑就可以起飛和著陸的技術。垂直起降飛行器（VTOL，Vertical Take-Off and Landing）能夠以零速度起飛/著陸，具備懸停能力，并能以固定翼的方式水平飛行。它是從50年代末期開始發展的一項航空技術。

當前的研究大多數都集中在對四旋翼飛行器控制系統的設計與改進上，而將四旋翼飛行器與固定翼飛機相結合的研究很少。本項目希望結合多旋翼和固定翼飛機的特點設計一款具有垂直起降功能的固定翼模型飛機。此款模型飛機可以實現多旋翼與固定翼飛行模式的相互轉換，同時具備直升機垂直起降、空中懸停和固定翼飛機高速巡航的優點。

1 垂直起降飛行器的設計

1.1 飛行器總體布局及設計參數

1.1.1 氣動布局

氣動布局同飛機外形構造和大部件的布局與飛機的動態特性及所受到的空氣動力密切相關。關系到飛機的飛行特征及性能。故將飛機外部總體形態布局與位置安排稱作氣動布局。簡單地說，氣動布局就是指飛機的各翼面，如主翼、尾翼等是如何放置的，氣動布局主要決定飛機的機動性。

由于常規布局在眾多布局中最為成熟，易于設計和后期調試，本項目采用經典的常規布局。

1.1.2 總體布局

為了實現垂直起降的功能，我們采用了把四旋翼和常規布局固定翼疊加的方法設計飛行器。

在不影響固定翼氣動布局的前提下，將四旋翼的兩條縱向的機架與主翼的肋片固定，橫向的機架則由主翼的翼梁充當。與常規四旋翼不同的是，飛行器前方的一對旋翼可以進行70度傾轉，用于完成垂直起降和固定翼模式的轉換。且在固定翼模式時后方的一對電機停止工作，以節省電力。

1.1.3 設計參數

1.2 飛行器局部結構的設計

1.2.1 主翼

根據設計的目標參數，希望垂直起降飛行器可以攜帶一定的載荷，且飛行速度不能太高，為了減輕動力系統重量，阻力也不能太大。平凸翼型是最佳的選擇。

在設計翼型時采用Profili翼型設計軟件。Profili翼型庫中的CLARK-Y型翼是平凸翼中最典型的一種，也是航模愛好者們最常用的一款翼型，其最凸出處為弦長20%處。

為了驗證CLARK-Y型翼是否適用于垂直起降飛行器，我們對它進行空動力學分析。首先使用Profili自帶的雷諾數計算器計算雷諾數。雷諾數——空氣中運動的物體受到空氣的黏性力和慣性力的比，簡單解釋就是空氣分子運動中有質量由速度，遇到物體就會對物體有力產生，同時分子和分子之間的相互作用會有黏黏的感覺。具體就不贅述，主要參考規律，飛機越大雷諾數越大，受到黏性力的成分越少。

代入飛行器的最大飛行高度100米，最大飛行速度5米/秒，最大弦長20厘米，得出飛行器的雷諾數約為70000。

我們選用的CLARK-Y型翼在機翼迎角達到5度時，升阻比曲線升到最高點，此時機翼擁有最好的升阻特性，符合垂直起降飛行器的實際情況。同樣機翼迎角在5度附近時，CLARK-Y型翼的俯仰力矩最小，此時改變飛行器的俯仰姿態最為容易，也符合垂直起降飛行器的實際情況。

綜上，我們可以在飛行器上采用CLARK-Y型翼。

1.2.2 平尾

確定水平尾翼的翼型和面積。水平尾翼對整架飛機來說，也是一個很重要的問題。水平尾翼和機翼的功能恰恰相反，它是用來產生負升力的，所以它起的作用是抬頭力矩，以達到飛機配平的目的。由此可知，水平尾翼只能采用雙凸對稱翼型和平板翼型，不能采用有升力平凸翼型。水平尾翼的面積應為機翼面積的20-25%。我們選定22%，計算后得出水平尾翼的面積為89100平方毫米。同時要注意，水平尾翼的寬度約等于0.7個機翼的弦長。

1.2.3 垂尾

垂直尾翼是用來保證飛機的縱向穩定性的。垂直尾翼面積越大，縱向穩定性越好。當然，垂直尾翼面積的大小，還要以飛機的速度而定。速度大的飛機，垂直尾翼面積越大，反之就小。垂直尾翼面積占機翼的10%。因為垂直起降飛行器飛行速度不高，垂尾的面積可以小一些，我們選擇9.8%。通過計算，垂直尾翼面積應為18200平方毫米。在保證垂直尾翼面積的基礎上，垂直尾翼的形狀，隨意性較大。

1.2.4 傾轉結構

傾轉結構作為垂直起降飛機模式轉換的關鍵執行部件，是整架飛行器上受力最大的部分。因此，在盡量控制飛行器空重的前提下必須進行適當的加固。此處我們采用了機械性能極佳又輕質的碳纖維管作為機架，并且機架兩側的翼肋和這一段的翼梁采用航空層板制作，以減小形變，避免在旋翼傾轉過程中機翼被撕裂。

傾轉結構上安裝了作為飛行器動力的電機和螺旋槳，需要完成使槳平面傾轉70度的工作。我們設計的傾轉結構使用舵機作為動力，碳纖維管作為旋轉軸，航空層板作為作為主要結構。

1.3 飛行器電子設備的選擇

1.3.1 飛行器動力系統的選擇

本次設計采用的執行電機為無位置傳感器無刷直流電機，如圖6 所示。相比于傳統有刷直流電機，無刷直流電機的可控性強、運行效率高，具有優越的機械特性，并且無位置傳感器還減小了電機的復雜程度和飛行器重量。

根據電機廠商提供的數據，Sunnysky X2204無刷電機在搭配GWS8040槳和3S動力電池使用時，最大可以達到420g的拉力。飛行器在垂直起降模式時，4個電機可以產生約1600g綽綽有余的拉力。在固定翼模式時，兩個電機的拉力也超過了800g，使推重比超過1，大大增強了飛行器的機動能力。

1.3.2 舵機的選擇

在航模飛機上，舵機一般用于控制各個舵面的角度，以此來改變飛行器的姿態。本項目除了在舵面上使用舵機，改變飛行模式的旋轉結構也需要用到兩個舵機。由于旋轉結構所使用的舵機直接與電機座連接，受力非常大，且對旋轉角度要求比較精準，所以采用了扭矩較大的金屬齒數字舵機。而由于飛行器的速度低，重量小，對舵面控制要求不高，舵面控制采用了質量較輕，扭矩較小的塑料齒模擬舵機。

2 APM開源飛控的研究

2.1 垂直起降模式的編寫

本項目通過對開源飛控板APM進行自主編程實現了多旋翼與固定翼的轉換，我們將它定義為垂直起降模式。

垂直起降模式實現的具體功能分為兩部分：

1）控制舵機轉動，當切換模式時，舵機拉動電機，使其轉動70度，螺旋槳與機翼垂直。切換回來時，過程相反。

2）控制電機轉速，當切換模式時，電機轉速由當前轉速慢速變為0，當切換回來時，電機轉速恢復到四軸模式中該電機應有的轉速。

為了實現提出的功能，在對飛控源碼進行了深入的了解后，我們參考飛控自帶固件ArduCopter，并利用Microsoft Visual Studio編寫了自定義的垂直起降模式。

編程結束后，為了測試程序的正確性，對各項功能進行了單獨的測試和參數的調整，包括固定翼模式、四旋翼模式和過度模式下對電機、舵機的控制。

2.2 實機部分功能測試

在初步的測試完成后，此時飛行器的原型機已經制作完成，我們計劃進行下一步的實機地面測試。

在這里我們利用到了APM飛控的地面站軟件Mission Planner。APM Planner 2.0是一個開源的地面站應用，可用于基于MAVlink的自動駕駛儀（包括APM和PX4/Pixhawk），可運行在Windows、Mac OSX還有Linux上。APM2可以讓你配置飛機、飛行器、無人車，讓它自動駕駛儀協同工作，使其成為自動駕駛載具。使用APM2可以校準與配置自動駕駛儀，計劃與儲存任務，還能查看飛行中的實時數據。

設置地面站端口波特率為115200，將APM飛控接上串行端口，并下載好已經編譯好的垂直起降程序。

在地面站軟件上設置我們寫好程序的一些參數，然后將APM安裝到實機上，在地面上測試其四旋翼狀態的功能，以及旋翼的傾轉功能。地面測試結果顯示，飛行器在靜態下，各項功能均正常。

2.3 實機驗證飛行

接下來的實機驗證飛行，我們測試了飛行器完成垂直起飛-切換-固定翼模式平飛-切換-垂直降落的全過程。

驗證飛行結果顯示，飛行器在模式轉換過程中，飛行姿態控制較差，出現了失控墜落的情況。在經過了反復的實驗，和對軟硬件多次的改進后，飛行器最終可以完成預期的目標。

【參考文獻】

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[責任編輯：王偉平]