一款具備90度收放懸掛式三軸增穩云臺的無人偵察機

李柯 馮坤輝 王璿清 劉浩楠 唐振國

摘要：本項目旨在設計一款具備 90度收放懸掛式三軸增穩云臺的無人偵察機，該偵察機的特點在于其三軸增穩云臺和全復合材料機身設計。懸掛式三軸增穩云臺能夠實現橫軸90度收放和其他兩軸120度的轉向，同時采用平臺增穩以及集成模塊化設計，可以進行模塊化更換。而全復合材料機身設計使無人偵察機結構更加輕質高強。

關鍵詞：90度收放；懸掛式三軸云臺；無人偵察機；全復合材料機身

無人機機載攝像機的成像質量很大程度上受到無人機飛行姿態變化的限制。 為了穩定機載相機的視軸，必須為相機提供一個空間穩定的慣性平臺。 穩定的云臺是機載攝像機的載體。 由于它可以隔離無人機姿態的變化和機體振動，風阻力矩等干擾，逐漸成為高精度航天測量系統的重要組成部分。 無人機體積小，抗風能力差，相機設備的姿勢受到無人機飛行姿態和航向變化的影響。 因此，設計一個三軸自由度穩定平臺和輔助無人偵察機具有重要意義。

1 研究目標

目前我們在一款具備90度收放懸掛式三軸增穩云臺的無人偵察機的設計中有以下目標：

（1） 90度收放懸掛式三軸增穩云臺的設計，集中體現在三軸的集成配合設計，云臺的整體平臺增穩，集成模塊化可拆卸三個方面。

（2）常規布局小型無人偵察機的全復合材料制作，包括各部分的成型。

（3）偵查設備的搭載。

2 工作基礎

我們已有該項目的前期制作探索和數據研究，探索性地制作過懸掛式三軸增穩云臺。該三軸增穩云臺初步設想采用集成模塊化設計，可以進行模塊化更換，具備一定的穩定運行性能，并為以后整個飛行器的設計提供了依據。

3 項目研究內容

云臺結構：設計一個90度可伸縮懸掛式三軸穩定平臺，可進行模塊化拆卸。所謂三自由度是指在三維空間中，物體被三個方位空間穩定控制和定位。由于其自身的結構，雙自由度穩定的平移/傾斜具有視覺死區。三自由度穩定的云臺具有三個空間旋轉自由度，可以更靈活地解決這個問題，消除視頻監控的盲點。從工作原理來看，三自由度穩定頭由三個空間相互垂直的框架組成。其中，外框負責控制攝像頭的偏航運動，中框負責控制攝像頭的滾動，內框負責控制攝像頭的俯仰運動。穩定部分包括外框，中框和內框三種空間旋轉角度，板上攝像頭安裝在內圈中心平臺上。在無人機飛行期間，由于平臺包含三個旋轉自由度，因此可以確保無人機無人機和無人機的運動的良好隔離。云臺的各個框架，外框架和外框架軸線之間的運動關系安裝在無人機基座上，并且圍繞垂直軸執行偏航運動；中間框架和中間框架軸安裝在外部框架上，并且水平框架水平地滾動移動；內框架和內框架軸安裝在中間框架上并圍繞中間框架進行俯仰運動。

整個系統由四個坐標系組成：

（1）無人機基座坐標系；

（2）外框坐標系；

（3）中框坐標系；

（4）內框坐標系。

飛機整體結構：飛機整體結構使用復合材料，減輕重量，做到輕質高強。相較于傳統材料結構，復合材料具備大量的優良特性，可以大步提高飛機性能。同時對飛機細節調整，包括全機身防震等，實現飛行過程中的穩定飛行，提高實用價值。

4 主要創新點

（1）懸掛式三軸云臺的設計，相較于傳統兩軸云臺具有巨大優勢。（2）模塊化的可拆卸設計，提高便攜性。（3）全復合材料的制作工藝，目前設想采用三層夾心處理。

5 項目研制過程

本項目旨在設計一款具備 90度收放懸掛式三軸增穩云臺的無人偵察機。為了實現這一目標，我們查閱資料，進行了初次設計。我們用EPO泡沫材料、層板和碳纖維等，設計制作了第一代無人機，并開始研究云臺設計。根據文獻資料上單兵無人偵察機經驗，小型偵察機如果做到云臺收放，則最好采用物理增穩方式。

由于前期考慮不足，第一代飛機的機艙設計容量狹窄，導致初代云臺的第三軸無法安裝，不能實現收放。在反復試驗和操作后，我們決定重新設計載機。我們在反復比較當今各國軍用單兵無人偵察機的設計后，決定仿制洛馬公司設計的美軍“沙漠鷹”無人機。我們聯系了一家EPO無人機制作廠家，通過工業機器的發泡成型，成功制作出了無人機的公版EPO夾心部分。

6有待改進的地方

6.1 翼荷比比較大，導致其不能超低速飛行

通過對此機型的一系列測量和計算，此機型翼荷比和最佳翼荷比仍相差一段距離。初步計劃采用延長機翼的方式來減小翼荷比。首先通過profili導出此機型的翼型，然后通過激光切割機來切合輕木和層板，將機翼從翼根處延長，來實現機翼的增長。

同時減少機身設備質量，比如使用更高效率的電池，或者優化制作工藝，在保證機身強度的同時減少環氧樹脂的使用量。

6.2 起飛成功率不能達到100%

V型尾翼容易由于操控不當失速尾旋，由于無人機是人為手拋起飛，因此不可避免地會有拋擲角過大，導致仰角過大失速導致無法起飛的情況。

7 實用性調研

目標：進一步實現民用航空調查和軍事調查的應用。

無人機航空測量是對傳統航空攝影測量方法的有力補充。它低成本，適用性廣，快速，高效，精確，靈活，生產周期短。它在小區域和難飛區域具有高速圖像。獲取具有明顯的優勢。隨著數碼相機技術和無人機的發展，數字航空攝影的技術基于無人機平臺顯示出其獨特的優勢。航空攝影測量與無人機的結合使得“無人機數字”低空遙感已成為航空遙感的新方向。無人機航空攝影可廣泛應用于災害應急處置，新農村和小城鎮建設，資源開發，土地和土地監理，國家重大工程建設，尤其在應急測繪數據采集，動態監測土地利用，數字城市建設，土地資源調查與監測，基礎測繪等具有廣闊的應用前景。

項目：大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：IECAUC2017144）