便攜折疊式民用多功能無人飛行平臺的整機(jī)設(shè)計

李煜+鄒學(xué)書+胡文宇+徐敏+黃毅+苗峰

摘要：本文介紹了一種民用多功能便攜式無人飛行平臺的設(shè)計與制作思路。該飛行器采用了3段式機(jī)翼折疊方式，2段式機(jī)身折疊方式，具備搭載偵測設(shè)備及傳感器等對地面及管線進(jìn)行實時監(jiān)測。其維護(hù)簡單，使用方便，成本低廉，可以節(jié)省大量的資源及人力。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；多任務(wù)平臺；便攜式

中圖分類號：V279+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）43-0071-03

隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用迅速從軍用進(jìn)入了民用。自一開始的軍用“靶機(jī)”到如今的專業(yè)級商用無人機(jī)和消費級個人無人機(jī)，民用無人機(jī)迅猛的發(fā)展勢頭讓一大批諸如大疆、零度指控、極飛科技、億航智能的科技公司受益匪淺。如今我國的小型無人機(jī)制造業(yè)已經(jīng)占據(jù)了全球70%以上的份額，但是，涉足民用多功能無人飛行平臺這一領(lǐng)域的卻顯得略為冷清。

一、應(yīng)用前景

1.天然氣及石油管道巡查。隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的不斷加強(qiáng)，社會對能源的需求在迅速增加。我國目前已有大量的天然氣及石油管道，這些管道距離長、跨度大，且絕大部分都是途徑野外，甚至沙漠、沼澤等地。一旦發(fā)生火情或災(zāi)情，就會造成重大經(jīng)濟(jì)損失，故急需消防部門具有遠(yuǎn)程、即時的監(jiān)控能力，機(jī)動、快速的撲滅能力。

2.電力巡線。隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對能源的需求越來越大，超高壓大容量電力線路正大幅擴(kuò)建。到2020年，中國將建成15個特高壓直流輸電工程，并成為世界上擁有直流輸電工程最多、輸送線路最長、容量最大的國家。而輸電線路跨區(qū)域分布，點多面廣，所處地形復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣，輸電線路設(shè)備長期暴露在野外，受到自然侵蝕以及人為因素的影響而產(chǎn)生倒塔、斷股、磨損、腐蝕、舞動等現(xiàn)象，這些情況必須及時得到修復(fù)或更換。而人力巡線費時費力，故而無人機(jī)巡線大有可為。

3.森林防火。當(dāng)發(fā)生森林火災(zāi)，尤其在森林火災(zāi)發(fā)生時火場上空能見度低，即使是航護(hù)飛機(jī)能達(dá)到火場上空，觀察員也無法詳細(xì)觀察到地面火場情況，而在這種情況下飛行又存在著安全隱患。無人機(jī)能克服航護(hù)飛機(jī)的這一不足，通過搭載攝像設(shè)備和影像傳輸設(shè)備，可隨時執(zhí)行火警偵查和火場探測任務(wù)。無人機(jī)可以全天候地在空中對林區(qū)進(jìn)行勘查，及時發(fā)現(xiàn)火情、報告火場位置、采取行動將火災(zāi)消滅在初期；無人機(jī)配備熱敏設(shè)備，按預(yù)定航跡對林區(qū)進(jìn)行空中巡查。并將空中巡查獲取數(shù)據(jù)實時傳回地面測控站，地面測控站將實時圖像通過網(wǎng)絡(luò)傳給防火值班部門。對于可疑點或區(qū)域，通過遙控指令可改變無人機(jī)飛行航跡及飛行高度進(jìn)行詳查，詳查圖像通過無線鏈路實時傳回地面。對已出現(xiàn)火情的地區(qū)進(jìn)行空中火情態(tài)勢觀察，使滅火指揮部門迅速有限組織、部署滅火隊伍，提高滅火作戰(zhàn)效率，防止救火人員傷亡。

4.邊境巡查。在環(huán)境極其惡劣的邊境地區(qū)，無人機(jī)能有效地代替邊防士兵進(jìn)行邊境巡邏，減少士兵在惡劣環(huán)境下的作業(yè)時間，提高邊境巡邏效率。另如在環(huán)境監(jiān)測、植物保護(hù)、緊急搜救、影視業(yè)、房地產(chǎn)及測繪等領(lǐng)域有十分廣泛的應(yīng)用前景。

二、試驗原型機(jī)

本文所介紹的無人飛行平臺是以大容量鋰電池為動力的固定翼無人機(jī)，采用半自主遙控飛行模式，其結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、安全性高。相比傳統(tǒng)的固定翼無人機(jī)，該機(jī)使用了三段式折疊冀，兩段式折疊機(jī)身，縮小后的體積可以到達(dá)不超過1600MM，便于運輸管理。其起飛方式即可滑跑也可手拋，滿足了多種地形的使用需求。該飛行平臺亦可搭載多型設(shè)備，配合地面站完成多種任務(wù)。

三、整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

1.對于翼型的選擇設(shè)計。因該型無人機(jī)需搭載較多的監(jiān)測傳感設(shè)備，且需有一定的巡航留空能力，故而在多方考慮后選擇了低雷諾數(shù)下高升阻比的翼型。我們選取了固定翼較為常見的5種翼型并對其采用xflr5進(jìn)行比較分析。

原型機(jī)預(yù)計特征長度為1600CM，平均弦長35CM，空載重量為1200G，巡航速度12M/S。簡單計算得出其巡航時雷諾數(shù)約為285000，升力系數(shù)約為0.25。

由圖1可知，當(dāng)迎角在較小范圍內(nèi)，Benedek 10355 B翼型具有較好的升力系數(shù)。當(dāng)迎角超過10°后，Benekek 10355 B其升力系數(shù)達(dá)到最大后開始下降，而CLARK Y翼型則保持較好的升力系數(shù)。這一數(shù)據(jù)說明CLARK Y翼型具有較好的迎角范圍，不容易失速。

由圖2可知，CLARK Y翼型在迎角為10°時其阻力系數(shù)最小。NACA 009翼型在負(fù)迎角范圍內(nèi)阻力系數(shù)最小。

由圖3可知，在不同迎角下，CLARK Y翼型都具有良好的升阻比。其氣動性能經(jīng)過XFLR 5優(yōu)化后可達(dá)到最大升力系數(shù)下限1.0；最大失速迎角>10°。考慮到較極端天氣下的工作環(huán)境，我們選擇安全性較高的CLARK Y翼型作為我們飛行平臺的機(jī)翼翼型。

2.對機(jī)身及機(jī)翼折疊機(jī)構(gòu)的設(shè)計。折疊機(jī)翼的目的是為了便于運輸、攜帶、和管理。國內(nèi)外近幾年來對折疊翼飛機(jī)有了許多研究，國外大多采用“Z型”折疊翼。例如LOVE等介紹了洛克希德·馬丁的變形機(jī)翼飛行器，該飛行器采用了一種“Z型”折疊翼；對此，Snyder等對機(jī)翼進(jìn)一步做了振顫和振動特性分析，Tang等研究了其氣動特性；Wang等對不同數(shù)量翼面的折疊翼飛機(jī)模型的氣動彈性和結(jié)構(gòu)動力學(xué)做了相關(guān)研究。但是“Z型”折疊翼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)成本高，所以選用了常規(guī)的三段式兩側(cè)折疊翼的折疊方式。

對于機(jī)翼的折疊機(jī)構(gòu)，考慮到“Z型”折疊翼的缺點和該無人飛行平臺的工作環(huán)境等因素，最后在機(jī)翼下翼面采用了合金彈簧合頁作為連接，機(jī)翼上翼面采用金屬卡扣作為固定裝置，對機(jī)翼翼梁用碳纖維環(huán)氧樹脂增強(qiáng)體復(fù)合材料來加固，以確保機(jī)體強(qiáng)度。

對于機(jī)身折疊機(jī)構(gòu)，在機(jī)腹后端采用金屬卡扣作為固定裝置，機(jī)身背部后端以合金彈簧合頁作為連接，接觸的兩個斷面用復(fù)合材料加強(qiáng)，保證機(jī)體強(qiáng)度。

3.對于控制系統(tǒng)及動力系統(tǒng)的選擇。通過多驗證原型機(jī)的實驗，搭載設(shè)備后的整機(jī)重量在1.7KG左右。為了保證飛行平臺的長航時和安全可靠，選取了兩個朗宇X2216，KV1250的無刷電機(jī)作為動力源，其拉力測試表見表1。

根據(jù)測試表中的數(shù)據(jù)，為了提高電機(jī)效率，增加巡航航程與留空時間，選用9050漿，60A銀燕無刷電子調(diào)速器相搭配作為動力輸出組，選用3S 10000mA/H的鋰電池提供動力支持；另外還需5顆銀燕9克金屬齒舵機(jī)、與電子接收機(jī)作為傳動控制系統(tǒng)；使用PIX飛行控制芯片與地面站配合組成飛行控制系統(tǒng)。

四、整機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)與外形設(shè)計

首先利用solodworks軟件進(jìn)行整體三維建模，并進(jìn)行簡單的有限元計算。對于應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計及標(biāo)注。然后將solodworks的三維圖形分解為二維平面圖形并打印圖紙，利用aotucad軟件進(jìn)行二維排版并使用大型激光切割機(jī)切割部件。其后按照設(shè)計圖紙將各個部件進(jìn)行搭建粘接。搭建粘接的步驟從易到難：從機(jī)尾到機(jī)翼然后到機(jī)身。搭建粘接完畢后對整機(jī)進(jìn)行打磨蒙皮，安裝電子設(shè)備。最后是折疊機(jī)構(gòu)的安裝與連接。

五、搭載設(shè)備的選擇與安裝

該飛行平臺可搭載500—1000G的設(shè)備進(jìn)行作業(yè)。安裝高清攝像機(jī)及Amimon CONNEX數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)時，能在100米的高空對地面進(jìn)行精確監(jiān)視并實時回傳圖像。實際測試中，該圖傳設(shè)備在3KM內(nèi)的范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。且該飛行平臺在不同的任務(wù)需求中，可選擇更換所搭載的設(shè)備進(jìn)行作業(yè)。例如搭載熱敏煙敏設(shè)備進(jìn)行森林防火巡查，搭載紅外設(shè)備進(jìn)行邊境巡查及野外搜救等。

六、實際測試

在測試場地選取不同地形的場地，地面擺放50×50cm的正方形標(biāo)靶，標(biāo)靶上寫有阿拉伯?dāng)?shù)字及字母。在離標(biāo)靶1000米處用無人機(jī)在百米高空查看地面，可以準(zhǔn)確看到標(biāo)靶上所寫數(shù)字。

七、結(jié)論

本文主要介紹了一種民用的多功能無人飛行平臺的設(shè)計思路，并從前期論證討論到后期試驗機(jī)的設(shè)計制作以及最后的實際測試做了簡要的論述。無人機(jī)應(yīng)用前景廣闊，能有效擔(dān)任浪費人力資源的一些工作，提高工作效率，節(jié)省資金。其次，對目前常用的固定翼無人機(jī)翼型進(jìn)行了分析比較，選出了CLARK Y翼型，但是對于翼型的優(yōu)化設(shè)計還有待進(jìn)一步的學(xué)習(xí)提高。最后對于該飛行平臺的測試只是進(jìn)行了不同時間不同地形的場地測試，對于較極端環(huán)境的測試評估需要做更多的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃愛鳳，鄧克緒.民用無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[C].

[2]陳軍.開發(fā)消防型民用無人機(jī)大有可為[J].航空科學(xué)技術(shù)，2004，（1）：37.

[3]梅小寧，楊樹興，陳軍.低雷諾數(shù)小型折疊無人機(jī)翼型優(yōu)化設(shè)計[J].航空計算技術(shù)，2010，40（1）：15.

[4]郭小良，裴錦華，楊忠清，等.無人機(jī)折疊機(jī)翼展開運動特性研究[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2006，38（4）：438-441.

[5]徐聲明，祝小平，周洲.箱式發(fā)射無人機(jī)的一種變體機(jī)翼設(shè)計思想研究[J].飛行力學(xué)，2008，26（5）：17-19.

[6]李莉，任茶仙，張鐸.折疊翼機(jī)構(gòu)展開動力學(xué)仿真與優(yōu)化[J].強(qiáng)度與環(huán)境，2007，34（1）：17-21.

[7]吳愛民，宋迎剛，楊帥，焦昆，張靖.便攜式農(nóng)用無人機(jī)整體設(shè)計[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2016，（8）：186-187.

[8]LOVE M H，ZINK P S，STROUD R L，et al.Impact of actuation concepts on morphing aircraft structures[R].AIAA-2004-1724，2004.

[9]SNYDER M P，SANDERS B，EASTEP F E，et al.Vibration and flutter characteristics of a folding wing[J].Journal of Aircraft，2009，46（3）：791-799.

[10]SCARLETT J N，CANFIELD R A.Multibody dynamic aeroelastic simulation of a folding wing aircraft[R].AIAA-2006-2135，2006.

[11]WANG I，GIBBS S C，DOWELL E H.Aeroelastic model of multisegmented folding wings：theory and experiment[J].Journal of Aircraft，2012，49（3）：911-921.

[12]WANG I，DOWELL E H.Structural dynamics model of multisegmented folding wings：theory and experiment[J].Journal of Aircraft，2011，48（6）：2149-2160.