一種模塊化多旋翼無人機的設計

吳林晉 王建國 湯瑾

摘 要：針對傳統無人機部件布局單一、起飛重量低，載重能力小，飛行時間短而局限了無人機的使用范圍的問題，對模塊化無人機的建模，無人機主體結構的設計和無人機間的裝配與控制等方面進行了研究。以多模塊無人機拼接，多自由度空中飛行為主要特點，并以解決多旋翼無人機起飛重量低，飛行時間短為目標，提供了模塊化無人機的設計方案。使用SOLIDWORKS三維建模軟件對模塊化無人機進行基本建模，設計了模塊與模塊間的連接結構，并計算模塊化無人機以多模塊拼接成鏈狀飛行中自由度的計算方法。

關鍵詞：無人機；模塊化；自由拼接；結構設計

在2010年之前，固定翼和直升機無論在航拍還是航模運動領域，基本占有絕對主流的地位。然而，在之后的幾年中，由于多旋翼具有最簡單的操控性，具有最出色的可靠性，具有最高的勤務性迅速成為航拍和航模運動領域的新星。至今為止，圍繞多旋翼飛行器的相關創意、技術、產品、應用和投資層出不窮。目前，多旋翼已經成為微小型無人機或航模的主流。[1]

但由于多旋翼無人機能量轉換率底下，續航時間短，承載能力低，成為了多旋翼無人機發展的重要瓶頸。無人機的廣泛開發與應用，給人們的生活方面帶來了很大改善和便利，無人機運輸物資，無人機噴灑農藥等都在無人機載重和續航方面對多旋翼無人機的改善提出了要求。因此，為了提高多旋翼無人機的載重及續航能力，本研究設計創新結構的模塊化無人機，工作需要時根據需要數目將多模塊簡單拼接結合成不封閉開鏈狀無人機群或結合成封閉閉鏈無人機組，完成相關飛行任務，在無人輸送物品，無人機載重飛行，無人機編隊表演飛行有重要應用前景。

模塊化無人機的機構設計

模塊化無人機擁有以下幾個特點：（1）模塊化多旋翼無人機擁有任意數量拼接均可起飛的特點，即每一個多旋翼模塊均可以以單獨個體作為無人機進行基本的飛行工作，每個模塊均含有機架，電池，電機（一對），步進電機，飛行控制器，遠程遙控接收器等多旋翼無人機必要構建組成。（2）模塊化多旋翼無人機可以拼接成不封閉開鏈狀無人機群或結合成封閉閉鏈無人機組完成相關飛行任務。模塊化多旋翼無人機通過機架兩側的連接裝置可與另外兩個模塊化無人機相連接，多加無人機拼接而成，使得無人機的載重能力大大提高。同時，也因為多架無人機的相關作用，可在外界風阻大時改變飛行姿態，多架無人機以最小接觸面迎風，大大提高在飛行時的抗風能力，相對續航能力也有所提高。也由于多模塊組合，提供了多組旋翼，機動性也大大提升。

主要模塊化無人機結構如下：

（1）機架結構（圖中編號1）其作用主要是承載無人機上的所有重量及各機構的布局。機架的大小及形狀基本決定無人機的基本大小及形狀。

（2）機臂及動力電機機構（圖中編號2）機臂是無人機在飛行的主要受力部分，機臂上設置動力電機，為無人機提供所需動力。

（3）模塊間連接機構（圖中編號3）模塊間連接機構是模塊化多懸翼無人機的重要組成機構，模塊化無人機利用此機構將與另外兩個最小無人機模塊相連接，由此組合成多模塊無人機組。

1. 機架結構的設計

機架結構主要由3mm碳纖維管構成，碳纖維管機架有強度高，同體積下質量小等優點。機架上安裝有機臂，步進電機，無人機模塊間連接機構等部分。

1. 機臂及動力電機機構的設計

電機選擇kV2600型無刷動力電機，為無人機提供升力及轉向力。電機通過機臂上的步進電機帶動皮帶可帶動動力電機轉向，提供無人機的翻滾和橫滾力。機臂中間位置使用一堆止推軸承與機架連接，相鄰放置飛行控制器，GPS，遠程遙控接受機等電子傳感器。由于機臂的振動會導致整體無人機的飛行狀態不平穩，機臂的材料不宜選擇剛度較大的碳纖維，輕木等常用無人機機身材料，而采用剛度較低的丙烯酸塑料，減小動力電機在工作時產生的振動。

1.3 模塊間連接機構的設計

連接機構設置在機架的前后兩端，最外端為永磁鐵，利用永磁鐵的磁性將模塊間連接形成多旋翼無人機組合。另外，連接機構使用球轉副運動機構，提供空間內旋轉3個自由度，便于無人機在飛行時的飛行姿態的修改。球轉運動副的公母頭結合處分別設置在機架的兩端，兩個相同的模塊化多旋翼無人機通過公頭結合處與母頭結合處連接，其他任意數目的模塊化無人機組結合以此類推。

模塊化多旋翼無人機自由度的分析

（1）組成開鏈無人機組情況：開鏈無人機組即構成了不封閉形狀的無人機組，假設模塊化多旋翼無人機組由N個最小模塊化構成，則其自由度為F=6N-3（N-2）。（注：空間機構自由度為6，每個球轉副限制3個自由度，開鏈無人機組的最小無人機模塊數N=1，2，3…）

（2）組成閉鏈無人機組情況：閉鏈無人機組即構成了封閉形狀的無人機組，假設模塊化多旋翼無人機組由N個最小模塊化構成，則其自由度為F=6N-3N。（注：空間機構自由度為6，每個球轉副限制3個自由度，開鏈無人機組的最小無人機模塊數N≥3）

結果表明：模塊化多旋翼無人機在組合后自由度大大增加，可在飛行中呈現多種可變化的飛行姿態，是一種新型的無人機的表演形式。

3 結語

本研究自主設計了一種模塊化的多旋翼無人機，針對本無人機的基本結構進行了主要分析，并且通過三維軟件建模和其自由度的計算得知此方案是可行且此設計是合理可靠的。

在下一階段，本研究將深入研究模塊化無人機的控制及應用，為模塊化多旋翼無人機的投入使用提供相關的理論基礎。

參考文獻：

[1]全權.解密多旋翼發展過程[J].機器人產業，2015（2）.