一種可行的無人機模塊化設計

張宗正山東省萊蕪第一中學

一種可行的無人機模塊化設計

張宗正
山東省萊蕪第一中學

隨著無人機應用領域的不斷拓展，對無人機的需求逐漸增加。而其中應用較為廣泛的旋翼無人機漸漸難以滿足越來越多的飛行需要。為應對多樣化的飛行需求，本文給出了一種可行的設計方案，并對組合式旋翼無人機的飛行姿態(tài)的控制原理和相關控制方式做簡要的介紹。

旋翼無人機；模塊化設計；飛行姿態(tài)控制

一、引言

隨著無人機研究與開發(fā)的不斷進步，其應用得到了巨大的發(fā)展，尤其是民用無人機近年來更是取得了長足的進步。無人機在遙控探測、信息采集、監(jiān)控偵察等多方面均有很多應用。復雜環(huán)境下的多樣要求也催生了對旋翼無人機不同的性能要求。本文從實際應用出發(fā)，對無人機系統(tǒng)的模塊化設計進行了探索和改進，使旋翼無人機的性能更適用于多樣化的使用需求。

二、傳統(tǒng)四旋翼的飛行動作

對于現(xiàn)如今廣泛應用的旋翼無人機，其基本組成模塊包括動力系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，信號傳輸系統(tǒng)等。較為普遍的設計是將動力系統(tǒng)分布在四周，將控制系統(tǒng)等放置于中心以維持其重心的穩(wěn)定，如圖1、2、3。

圖1 四旋翼

圖2 六旋翼

圖3 八旋翼

在實際應用時，無人機有效載荷是一個定值，若增加有效載荷，則不得不更換旋翼或拆除部分設備，造成了很多不便。

由于現(xiàn)有的旋翼無人機只能通過改變不同位置上豎直方向上力的大小，從而整體改變機身位置和受力方向來改變運動狀態(tài)，靈活性有所限制。以四旋翼為例：

四旋翼飛行器通過調節(jié)四個電機轉速來改變旋翼轉速，實現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機，但只有四個輸入力，同時卻有六個狀態(tài)輸出，如圖4。

圖4 四旋翼基本飛行狀態(tài)

由于不能提供水平方向的力，增加單個或多個旋翼的升力必然會導致機身整體的偏斜，從而無法完成原地旋轉等飛行動作，加之分散式的動力系統(tǒng)將旋翼置于外部，動作機構的存在無疑使其連接上的組合空間大大減少。

三、總體設計和功能

新型無人機的基本原理與直升機大致相同，通過主旋翼將飛機托舉起來，對于每一個單一模塊，其具有旋翼無人機所具有的全部功能，同時還加裝了姿態(tài)傳感器，在多個基本模塊組合時合理分布多個模塊的功能。雙翼直升機的飛行控制主要通過對旋轉斜板（swash plate）的控制來實現(xiàn)。

新型無人機的飛行控制原理略有不同。

3.1 機身設計

為了使無人機具有更為靈活便捷的可擴展性，將動力集中并提供多個方向的接口變得更為合理。新型無人機的單一模塊將主旋翼置于中心，為了避免旋翼旋轉所造成的力矩，采用內外軸同軸傳動的共速反向旋翼來提供主要動力。高速無刷電機置于主旋翼下端的電機倉內。由于主要的動力將來自恒定向下的主旋翼來推動，新型無人機的姿態(tài)控制將全部由四個位于面對角線方向的直立副小旋翼提供，置于同一水平高度，外部由輕便立方體支架包裹，支架金屬本身作為信號天線，主要控制芯片和傳感器置于支架四周，如圖5、6。同時在支架內部安放電池，每個支架的中點和頂點放置接口，來完成其豐富的擴展功能。

圖6 結構簡圖（俯視）

圖5 結構簡圖

對于單一模塊，在穩(wěn)定的大氣環(huán)境中，進行受力分析：

水平方向上，由于其使用共軸同速傳動系統(tǒng)，兩個旋翼共用一個軸心，其水平方向力矩相互抵消，不存在單旋翼直升機常見的反扭力控制問題，而穩(wěn)定的大氣環(huán)境中沒有水平方向的外力，故受力是平衡的，即在水平方向上可以維持穩(wěn)定的飛行狀態(tài)；

豎直方向上，主要受到支架連接點上載荷的作用力、模塊自身的重力和旋翼能夠產生的升力。

在沒有外力干擾的情況下，豎直方向各力的合力與旋翼的升力共線。當升力與其它力的合力大小相同時，該模塊就能實現(xiàn)空中懸停。通過改變旋翼升力就可以實現(xiàn)對模塊本身上升和下降的控制。在這一基礎上，通過對副小旋翼的控制，提供水平的作用力，便可使單一模塊如同現(xiàn)有的無人機一樣，在空中完成各種飛行動作。綜上所述，單一模塊在理想的穩(wěn)定大氣條件下，可以維持穩(wěn)定的飛行姿態(tài)。

在一般的大氣環(huán)境下，外界會對無人機施加多個方向不同大小的力，可以由無人機的核心處理器分析姿態(tài)傳感器的信號，對四個方向的直立風扇進行轉速的微調，來抵消外界氣流的影響，而且相關電子控制調節(jié)芯片已經發(fā)展成熟并在現(xiàn)有無人機上得到了廣泛的應用。但與傳統(tǒng)無人機不同的是，新型模塊化無人機有著更大的動力分配空間和功能擴展?jié)摿Γ鼮槎鄻踊娘w行姿態(tài)便可以通過擴展后的模塊組合來實現(xiàn)。

3.2 擴展設計新型無人機通過對支架的直接鏈接完成模塊的拼裝，連接方式簡單方便。連接由機械接口和信號接口構成，機械接口承擔幾乎所有的機械應力。信號接口至于支架中點外側，機械接口置于支架的頂點處，隨著兩個模塊的結合便鏈接起來。為便于多個方向鏈接，將接口設計為同心圓型，即可完成多方向的自由組合與方便可靠的訊息傳輸。

四、可擴展性

每個基本模塊通過簡單的水平連接，便能得到豐富的組合，擴展模塊為了降低自重，可以將控制模塊去除。而若單純提高升力，豎直方向的模塊堆積便可以實現(xiàn)。豎直和水平方向共同組合，更是有著無盡的可能，由于每個基本模塊均具有穩(wěn)定性，通過處理器的整體控制便可實現(xiàn)組合后無人機的穩(wěn)定。典型的應用方式包括五聯(lián)裝，十三聯(lián)裝等，以五聯(lián)裝為例，如圖7。

圖7 五聯(lián)裝

中心模塊包含主要的控制模塊，信號處理模塊，同時也能提供升力，負荷鏈接點位于正方體頂點，盡量避免中心氣流的直接吹拂。五聯(lián)裝版本通過對四個頂角的處理，即可實現(xiàn)水平原位置旋轉，為測量和航拍提供了更為便捷的平臺。

五、總結

當今時代下的模塊化設計應用廣泛，在不同領域顯示出強勁的生命力。模塊化設計既大大豐富了功能，也便于升級換代和維修檢測。在無人機應用越來越廣泛的背景下，模塊化的無人機也能幫助人們實現(xiàn)更為豐富的功能。新型無人機不僅可以實現(xiàn)豐富多樣的組合體，適應多種不同的環(huán)境，還可以加裝各種新型載荷，滿足各種不同的需要。

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