四旋翼快遞用無人機總體結構方案設計

摘要：四旋翼無人機由于其機械結構簡單，起飛降落便捷，維護使用方便，已被多個行業廣泛使用。相比航拍、巡檢等傳統行業的無人機，快遞無人機結構包括：機身、控制器，燃料貯存罐，防水電機與旋翼，GPS系統模塊，物品存放柜?？爝f用無人機需滿足抗惡劣天氣能力強，具有避障性，續航時間長，懸停穩定等特性，本文從以上幾個特性出發，經過設計與仿真，提出的結構設計方案能基本滿足快遞用無人機的使用要求。

關鍵詞：四旋翼；快遞用無人機；續航；穩定

無人機是上個世紀80年代初期開始生產研發的一種微型飛行器，是結合電機驅動控制技術的一類產品，其按照機翼的結構可以分為三類：固定翼、撲翼和旋翼。旋翼無人機具有程序控制的自動飛行或遙控半自動飛行功能，垂直起飛，長時間穩定懸停，結構簡單，方便攜帶等特征，在軍用及民用等服務行業被大量使用。在90年代日本，美國等國家利用無人機進行軍事航拍，測繪，農業播種，電力巡檢等作業，當時無人機屬于技術復雜，價格高昂的設備，隨著我國無人機的快速發展，硬件與軟件的開發和設計、電機和控制器技術的進步，歐美日等國家的壟斷被打破，如今我國的民用無人機企業逐漸占據了世界前茅。

目前無人機產品應用較廣的有植保無人機，安放無人機，消防無人機等，快遞無人機的應用目前還沒有普及?？爝f無人機是利用無線控制器編程操縱飛行器的飛行，將物品快速送達目的地，其有效的減少了快遞行業的運輸成品，提高了運輸效率，在一些特殊地形地貌配送中起到了決定性的作用。目前的快遞無人機多采用八旋翼結構，具有定位導航功能，裝有高精度傳感器具有避障功能和定高度懸浮性能，通過4G網絡傳輸控制信號實現快遞信息的送達，使得配送服務人員與快遞收貨人之間得以順利溝通。

1 快遞用無人機方案設計

1.1 飛行系統方案設計

固定翼與旋翼的選擇：

1）固定翼無人機特點，起飛距離長，城市內難以找到合適的起飛、降落地點，飛行時有最低速度限制，不適合在復雜的城市建筑中飛行，運載空間狹小，不適合外賣的運輸；

2）多旋翼無人機特點， 續航能力差，電池需要充電時間長，目前的無人機抗風雨能力差，不能在惡劣的風雨天氣里派送，現有的無人機沒有專門的放置快遞的位置，運輸物品時容易傾倒，在運輸中易出現物品發熱或過冷等現象。

無人機的結構基本組成為地面系統和空中系統，其中地面系統包括地面控制系統，充電電源，空中系統包括無人機本體，執行機構，傳感器等，如圖1所示。

電力驅動無人機和傳統油動無人機相比振動小、同時污染較小，飛行過程比較穩定，適合多種飛行模式和各種飛行環境。電力和油動驅動無人機啟動速度快，電機和發動機維修容易，電力驅動噪聲小但是續航能力較油動弱，充電耗時較長，載重性較油動無人機差。軍用和民用的航拍、監察、環境勘測等飛行任務對于無人機的使用已經常態化，目前對于無人機的動力源研究也是國內外科研機構的熱點研究對象。

目前采用傳統蓄電池的電動無人機與油動無人機共同的缺點就是續航時間有限、載荷量低，動力源更換和補充時間長，因而導致該類無人機的應用受到限制。隨著新型能源如太陽能電池、燃料電池的發展，以及航空蓄電池能量密度的不斷提高。快遞無人機的載運重量設定為5kg，選用氫能作為動力燃料，避免鋰電池作為動力的續航時間不足，氫能作為可以再生能源對環境無影響，低碳環保，而且氫能燃料的添加時間較快，比鋰電池的充電效率高解決小型低空電動無人機長航時問題，考慮到快遞無人機工作環境，在日照不足的條件下利用太陽能動力會導致飛機航程不穩定，因此快遞無人機動力系統不考慮采用太陽能動力源。

1.2 功率匹配

根據推力、速度的計算關系，無人機保持勻速飛行狀態下的功率為：

Plev為無人機勻速飛行的需用功率；F為牽引力；v為勻速飛行速度；m為額定重量；CD為空氣阻力系數；CL為空氣升力系數；g為重力加速度；ρ為空氣密度；S為機翼參考面積。

其中旋翼產生的力矩被定子產生的扭矩抵消； 懸停狀態下相對空速很低使得飛行器相對于空氣的相對速度產生的氣動力很小并可以被忽略，最終得到四旋翼無人機所受力與力矩的公式：

T（Ω）為向上的提升力，式中Ω為旋翼電機的轉速； X、Y、Z 分別為縱向力、橫向力、垂向力；θ無人機傾斜上升時的角度； Q、S、v、h 分別是旋翼滑流的動壓、操縱舵的面積、操縱舵氣動焦點到 xy 平面的垂直距離、操縱舵氣動焦點到 z 軸的距離。CL 為操縱舵的升力系數，阻力系數因為相對很小被忽略。

2 快遞用無人機結構設計

快遞無人機需配置容納氫氣罐，根據四旋翼的結構，將燃料氫氣罐布置在整個機身頂部，同事需要滿足空氣動力要求，設計燃料罐的大小和重量要考慮機翼的提升力額度，借鑒相關無人機從以下幾個方案加以設計：

1）機翼采用四旋翼，用桁架結構與機身連接固定，保證機身空間位置充足，可以合理布置燃料電池；

2）電機采用防雨電機，電機下方布置排水孔，遇到雨雪天氣，保證無人機正常飛行，不至于增加負重；

3）機身整體采用防輻射材料，和疏水涂層，防止高空中輻射高溫，影響無人機飛行與控制系統正常工作，以及機身粘水增加負載。

快遞無人機的三維模型方案如圖 2 所示。

采用本文的結構設計，設計適合的翼展，對氫能能力進行計算，燃料加滿體積為5L，可以滿足載貨量的要求，為保證強度。設計無人機臂展桁架的長度為800mm，儲物箱大小為800×800mm，儲物箱為三層設計，其具有固定和保溫功能，同時適用于食品的運輸，儲物箱配有密碼鎖，可以通過發送短信驗證給收貨人的方式，對貨物安全加以保證。

無人機旋翼采用防水電機，風扇和電樞中有兩個防水軸承，避免大量的雨水進入；電樞使用較厚的漆包線，在一定進入少量的水時依然可以保持正常運轉；電樞下有一個散熱風扇，通過旋轉產生風源，通過軸承托盤和電機外殼的通風口產生氣體循環，借此帶走多余的熱量和進水的水氣，達到散熱和干燥的目的；電機外殼的通風口處采用屋檐形狀的設計，保證無人機在飛行時雨水不會通過電機外殼的通風口進入電機內部。無人機機體和送餐柜表面涂有杜邦產的 Teflon AF疏水涂層，減小表面與雨水的粘性，保證飛行時雨水可以順利地落入空中。

另外無人機裝有導航裝置和視頻傳輸裝置，方便控制者遠程監督無人機的配送情況。如圖3所示為軸承托盤的正視圖，圖中托盤上面打滿排水孔，能夠有效的排除下雨天雨水的沉積作用，為無人機運行減重。

雖然四旋翼無人機能夠基本滿足快遞行業的使用要求，但是現有的設計方案仍然存在很多不足，在技術方案上面還是需要繼續改進，主要可以從以下幾個方面進行：

1）四旋翼無人機的飛行平穩性，無人機需要低空飛行，面多諸多障礙物或者臨時突發情況，如何保證無人機通信不能干擾。

2）負載變化是隨機的，當發生上貨卸貨時，無人機負載會頻繁發生變化，在設計時還不能考慮到其他力產生的擾動。

3）研究人員未來可以通過改善四旋翼無人機的懸停和著陸技術，也可以加大無人機的飛行視野，對存儲盒進行改進，減輕無人機的載重等。研究人員提出，增加一個運動捕捉系統能夠讓機器人追蹤它的獵物，并且使用機載攝像機收集到數據在飛行中做出調整。相信新一代設計的無人機可以更準確和穩定的飛行，甚至在將來可以實現隱形等功能。

3 結語

本文在比對了各種動力源的基礎上，比較了油動，電動，氫能動力系統，設計了一種四旋翼的快遞無人機機型，利用三維建模給出了設計后的基本模型，提出了一種全新的設計方案。針對無人機在快遞領域應用進行了初步的分析和機構設計。 采用無人機進行快遞行業的配送能節約較大的人力成品，降低運營成本，提高配送效率。隨著服務行業越來越多的技術更新，無人機等新興高技術產品會在不久的將來充當各個行業的生力軍，現對快遞無人機的設計與研發，不斷提升無人機的創新功能，必將促進社會的進步發展。

參考文獻：

[1]鄧海強，余雄慶.太陽能飛機現狀和發展趨勢[J].航空科學技術，2006（1）：2830.

[2]邱國新.在直升飛機上應用紅外熱像技術巡視檢測高壓輸電線路設備的回顧[J].廣東電力，2005，18（3）：7173.

[3]馬東立，包文卓，喬宇航.利于冬季飛行的太陽能飛機構型研究[J].航空學報，2014，35（6）：15811591.

[4]劉莉.太陽能氫能無人機總體設計與能源管理策略研究[J].航空學報，2016，25（6）：144162.

[5]陳國棟，賈培發，劉艷.微型飛行器十年[J].國外科技動態，2005（2）：2933.

[6]吳森堂.飛行控制系統[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[7]Joseph K Conroy，Paul D Samuel，Darry J Pines.Development of an MAV control and navigation system[C].Infotech@ Aerospace 26 29 September 2005，Arlington，Virginia： 3.

[8]Damien Poinsot1，Caroline Bérard. Investigation of flight dynamics and automatic controls for hovering micro air vehicles[C].AIAA Guidance，Navigation and Control Conference and Exhibit 18 21 August 2008，Honolulu，Hawaii：4.

作者簡介：陳鑫（1988），男，湖北武漢人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向：機械設計，工業機器人。