多用途固定翼無人機及其遠程控制系統(tǒng)研究

鐘建衛(wèi)+李林+呂償+李建鑫+盧明輝+李廣湖

摘 要：本研究項目設(shè)計的無人機系統(tǒng)可遠距離長時間的作業(yè)，可在農(nóng)業(yè)、運輸、軍事、勘探、災(zāi)難救援等領(lǐng)域應(yīng)用。本無人機系統(tǒng)由長航時固定翼無人機和遠程控制系統(tǒng)及遠程圖像傳輸系統(tǒng)組成。長航時固定翼無人機選用了EPPLER 67翼型，此翼型在迎角5.5°時，升阻比為97.5046、續(xù)航因子為100.5196，使用222WAh的電池實現(xiàn)了長達90分鐘的續(xù)航時間。無人機系統(tǒng)使用基于433MHz無線電頻率的遠程控制系統(tǒng)和基于1.4GHz無線電頻率的遠程圖像傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)遠距離控制功能。

關(guān)鍵詞：長航時；固定翼無人機；遠程控制系統(tǒng)；遠程圖像傳輸系統(tǒng)

中圖分類號：TP242 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

多旋翼無人機是依靠多個旋翼產(chǎn)生的升力來平衡飛行器的重力，讓飛行器飛起來，通過改變每個旋翼的轉(zhuǎn)速來控制飛行器的平穩(wěn)和姿態(tài)。固定翼無人機靠螺旋槳或者渦輪發(fā)動機產(chǎn)生的推力作為飛機向前飛行的動力，主要的升力來自機翼與空氣的相對運動。平衡固定翼無人機重力的主要是機翼與空氣相對運動產(chǎn)生的升力，節(jié)省更多的能源以維持固定翼無人機的長時間飛行作業(yè)。

1 無人機系統(tǒng)

本項目的無人機系統(tǒng)由長航時固定翼無人機機體、遠程控制系統(tǒng)及遠程圖像傳輸系統(tǒng)組成。長航時固定翼無人機機翼布局采用上單翼布局，尾翼布局采用“V”形尾翼布局。遠程控制系統(tǒng)和遠程圖像傳輸系統(tǒng)分別是基于433MHz無線電頻率和1.4GHz無線電頻率實現(xiàn)遠程控制和遠程圖像傳輸?shù)墓δ堋?/p>

2 長航時固定翼無人機設(shè)計

長航時固定翼無人機的主要技術(shù)難點在于怎么在有限的能源下獲得更長的續(xù)航時間。主要的方式是增加飛機的升力降低阻力以增加續(xù)航時間。影響續(xù)航時間的主要因素是展弦比A、后掠角Λ和升阻比K。

圖1是長航時固定翼無人機三維建模模型，機翼布局采用上單翼布局，在空氣動力學(xué)方面，上單翼布局是高升阻比的構(gòu)型。上單翼最重要的特點還在于飛機重心在機翼下方，飛機具有自動恢復(fù)的飛行姿態(tài)穩(wěn)定性。尾翼布局采用“V”形尾翼布局，V形尾翼能提高螺旋槳驅(qū)動飛機飛行的速度，“V”形尾翼較普通尾翼，減少了尾翼部件的總數(shù)，減小干擾阻力，并且V形尾翼具有加工量小的優(yōu)點。

2.1 機翼設(shè)計

長航時固定翼無人機追求高氣動效率。展弦比A、后掠角Λ和尖削比λ是機翼氣動布局設(shè)計的三個重要參數(shù)。

2.1.1 展弦比A

機翼展弦比A隨著機翼升力線斜率的增大而增加，最大升力值和升阻比也隨之增加，升致阻力隨之減小。展弦比越大，對機翼的結(jié)構(gòu)要求也越高，并且為了本無人機可以隨身攜帶，展弦比A取15 。

2.1.2 后掠角Λ

升力線斜率隨著機翼后掠角Λ增加而減小。本項目的無人機要求盡可能得到大的升阻比，所以應(yīng)選取的較小的機翼后掠角。通過計算，后掠角Λ=1.7°。

2.1.3 尖削比λ

尖削比λ太大會導(dǎo)致誘導(dǎo)阻力增加， 太小則加速翼尖氣流分離。尖削比主要影響的是機翼升力的展向分布。一般低速飛機機翼的尖削比在0.4～0.5的范圍內(nèi)取值。尖削比λ取0.5。

圖2為右側(cè)機翼骨架的三維建模。機翼總面積S=60dm?，無負重翼載荷Lw=33.3g/dm?，負載兩公斤翼載荷Lw=66.6g/dm?，翼根弦長Cr=2.667dm和翼尖弦長Ct=133.5dm。在升力足夠的情況下，極大地減少無人機的阻力，增加升阻比以增加續(xù)航時間。

2.2 翼型選擇

機翼是飛機升力的主要來源，而翼型是影響機翼氣動特性的一個重要因素。

翼型的選擇直接決定著機翼升力系數(shù)的大小、飛行品質(zhì)和機翼阻力。長航時固定翼無人機的翼型應(yīng)選取高升阻比的翼型，其次考慮升力高的翼型讓無人機可以負載更多重量。通過對比從翼型庫里挑選的5種翼型，最終選取EPPLER 67作為本項目設(shè)計的無人機的翼型。

圖3是升阻比與機翼迎角的關(guān)系。在飛行高度100m，飛行速度60km/h和機翼平均弦長207.43mm時，流體流動雷諾數(shù)Re=23400。由圖可知，翼型Eppler 67的升阻比均高于其他4個翼型，并以較小的機翼安裝角達到最大的升阻比。

2.3 機身參數(shù)設(shè)計

為了達到其視距外長航時作業(yè)多用途化，通過增加機身容量為后期增設(shè)作業(yè)設(shè)備留空間。保證大容量的機身下，對機身流線型化，減小機身的阻力系數(shù)，提高氣動效率。機身主要參數(shù)見表1。

2.4 尾翼設(shè)計

尾翼采用新型“V”型尾翼布局，由于目前的大量計算主要是針對單獨的垂直尾翼和水平尾翼，因此，先分別通過尾容量系數(shù)法計算垂直尾翼和水平尾翼的面積再折算到“V”型尾翼的面積。計算結(jié)果見表2。

3 遠程控制系統(tǒng)及遠程圖像傳輸系統(tǒng)框架

遠程控制系統(tǒng)和遠程圖像傳輸系統(tǒng)是兩個彼此獨立的系統(tǒng)，但遠程控制系統(tǒng)要依靠遠程圖像傳輸系統(tǒng)對無人機進行控制。傳播損耗隨著無線電的頻率降低而減小，覆蓋距離和繞射能力隨著無線電頻率的降低變遠變強。兩個或以上設(shè)備同時使用無線電通信時，頻率非常接近，會干擾兩個設(shè)備之間的正常通信。因此，遠程控制系統(tǒng)使用433MHz無線電頻率進行控制，遠程圖像傳輸系統(tǒng)使用1.4GHz無線電頻率進行傳輸圖像，這兩個頻段都是我們國家的免申請段發(fā)射接收頻率。

圖4是遠程控制系統(tǒng)和遠程圖像傳輸系統(tǒng)總體框架。無人機端由控制信號接收天線、控制信號接收器、圖像信號發(fā)射天線、圖像發(fā)射器、飛行控制器、無人機執(zhí)行各動作的執(zhí)行機構(gòu)以及攝像頭組成。地面端由2.4GHz遙控器，2.4GHz頻率轉(zhuǎn)433MHz頻率模塊，控制信號發(fā)射模塊，圖傳信號定向接收天線，圖傳信號接收器以及顯示器組成。人們控制遙控器發(fā)出控制信號，由433MHz轉(zhuǎn)化模塊轉(zhuǎn)化成433MHz頻率并由信號發(fā)射天線發(fā)射控制信號，由信號接收天線接收發(fā)射天線發(fā)出的信號并傳輸至接收器處理，飛行控制器根據(jù)信號控制各個執(zhí)行機構(gòu)。攝像頭將所采集的圖像信息傳輸至飛行控制器，由飛行控制器疊加無人機的飛行狀態(tài)信息并發(fā)送給圖像發(fā)射器處理，通過圖像信號發(fā)射天線傳輸至地面端，圖像信號定向接收天線將接收到的圖像信號傳輸至圖像接收器處理并交由顯示器顯示圖像。endprint

3.1 遠程控制系統(tǒng)

遠程控制系統(tǒng)基于433MHz無線電頻率對無人機進行控制作業(yè)，市面上的無人機遙控器普遍是2.4GHz頻率，但功率低，可控制距離小。對此，將2.4GHz頻率轉(zhuǎn)化成433MHz頻率并傳輸至無人機端實現(xiàn)遠程控制的功能。實驗發(fā)現(xiàn)，無人機接收控制信號端的天線必須是全向天線，如果在接收天線上的饋線上增加兩根對稱布置的地線可以增加信號接收的穩(wěn)定性，進一步增加控制距離。

3.2 遠程圖像傳輸系統(tǒng)

遠程圖像傳輸系統(tǒng)基于1.4GHz無線電頻率對無人機端的圖像進行傳輸至地面端。地面端是可以人為操縱的，將原本的全向天線換成僅對一個方向接收圖像信號的定向天線，增加其對一個特定的方向的信號增益。

4 固定翼無人機及其遠程控制實驗結(jié)果

實驗主要測試本項目設(shè)計的無人機的續(xù)航能力，遠程控制系統(tǒng)的最大控制距離和遠程圖像傳輸系統(tǒng)的最大圖像傳輸距離。測試結(jié)果表明，本項目固定翼無人機擁有長達90分鐘的續(xù)航能力，遠程控制系統(tǒng)和遠程圖像傳輸系統(tǒng)的最大距離也非常可觀，實驗距離長達20km并且信號在70%以上。在信號傳輸延遲方面，延遲很低，并不影響無人機進行長航時視距外作業(yè)。

表3是本項目的無人機與DJI Phantom 4 Pro的續(xù)航時間對比，本項目所使用的電池是222Wh，而DJI Phantom 4 Pro所使用的電池能量是89.2Wh。

表4是各產(chǎn)品的可控制距離。Futaba 14 SG也正是本項目所使用的遙控器，通過增設(shè)433MHz無線電轉(zhuǎn)化模塊增加控制距離。

表5是各產(chǎn)品的圖像可傳輸距離。5.8GHz aomway （1W） 是市場上熱銷的一款5.8GHz頻率的圖像傳輸系統(tǒng)，搭配原廠生產(chǎn)的全向天線僅可以傳輸3km。

結(jié)語

本文設(shè)計的適用于視距外長時間作業(yè)的多用途固定翼無人機及其遠程控制系統(tǒng)，較多旋翼無人機，本項目無人機可長達90分鐘不間斷地處于20km外的超視距作業(yè)，避免了煩瑣的多次起降和解決盤旋半徑小的限制。今后，在固定翼無人機作業(yè)時，面對人工難以檢查作業(yè)的工作，都可以交由固定翼無人機負責(zé)。本項目受廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項資金資助，作品編號：pdjh2017b0816。

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