四旋翼無人機輕量化結構改進設計

鐘建衛 鐘小華 盧明輝 李志佳 董惠鵬

摘 要：本文以垂直起降載運空投四旋翼無人機機身結構為研究對象，對四旋翼無人機機身結構優化改進。采用碳纖維復合材料，芳綸纖維材料和巴爾沙木材，保證強度有足夠冗余的同時對四旋翼無人機機身進行輕量化改進設計。四旋翼無人機軸距是466mm，機架僅重50g，搭配使用10寸的APC螺旋槳，有效載荷可達3kg，可準確高效地在火山、地震和洪水災區等危險環境中執行勘察、拍攝和運載物品等任務。

關鍵詞：四旋翼無人機；輕量化結構；復合材料

中圖分類號：V279 文獻標志碼：A

0 引言

近幾年，多旋翼無人機迅速發展，尤其是四旋翼無人機，以其操作簡單、機動靈活、易于起降等優點迅速占領無人機市場。然而市面上的四旋翼無人機續航時間普遍較短，載重量小等缺點致使無人機不能很好地完成任務。柴永生等設計了以傾側旋翼來轉換方向的一種新型四軸飛行器，實現四軸無人機的垂直起降，并通過旋轉旋翼提供前進的動力，然而機身的重量達到了5kg，載重能力還是有限，最大僅能攜帶1.67kg的重物，不利于執行任務救援、投放物資等任務。大疆創新科技有限公司的產品MG-1最大載重量可達10kg，但對稱電機軸距1500mm，導致整機在執行任務時不能通過一些狹窄的地段，同時飛行快速反應慢。本文設計一種輕量化、有效載荷大的四旋翼無人機，同時保證無人機有足夠冗余的強度。

1 四旋翼無人機設計

四旋翼無人機主要由上下兩部分組成：正X型機架、艙體。正X型機架負責飛行，艙體負責運輸或搭載物品設備。如圖1整體結構示意圖所示，正X形機架包括兩根互相交叉的碳纖維方管、改進后使用T300-3000碳纖維板材料的中心座以及兩種不同高度的電機座裝配體，艙體由多根T300-3000碳纖維方管以及巴爾沙層板組成，腳架集成在艙體下部，結構采用籃子四腳式，艙體外圍由極細的芳綸纖維復合材料包覆使艙體一體化。

1.1 四旋翼無人機飛行機架設計

四旋翼無人機機架布局采用正X形機架，相比HX形機架以及異形機架，正X形機架更加靈活、簡便，也更加容易操縱，重量上也相對較輕。四旋翼無人機機架以碳纖維復合材料和巴爾沙木材為主材料，選用兩根外徑4mm×4mm，內徑3mm×3mm的碳纖維方管交叉形成正X機架，電機座部分和中心座選用1mm厚T300-3000碳纖維板由立式銑床加工減少手工誤差。大電機座長寬高尺寸為34mm×34mm×26mm，小電機座的長寬高尺寸為34mm×34mm×16mm，利用電機座間的高度差以彌補碳纖維方管交叉所形成的高度差，改進前的電機座僅使用輕木層板材料，但試驗過程中屢次損壞，對電機座改進優化，重要受力部件更換T300-3000碳纖維板，并對改進后的電機座做受力分析。同時，碳纖維圓管只能約束電機座的4個自由度，繞碳纖維圓管旋轉的自由度難以控制，使用碳纖維方管代替碳纖維圓管，電機座配合的位置也改成方孔減少旋轉軸的誤差，碳纖維方管較碳纖維圓管更適用于結構方面，承載能力強，搭建結構和搬運方便。固定電機的部位以及與碳纖維方管連接的部位選用1mm厚T300-3000碳纖維板進行加工，電機座的具體結構示意圖如圖2所示。

1.2 四旋翼無人機一體式艙體設計（圖3）

艙體采用下掛式與四旋翼無人機機架連接，下掛式使四旋翼無人機整體中心下移，增加執行飛行任務的自身穩定性。框架式的艙體使得在載重上允許使用更小的碳纖維圓管，貨倉的主體框架選用外圓直徑4mm，內圓直徑3mm的碳纖維圓管，碳纖維管連接部分選用2mm巴爾沙層板木材。

2 四旋翼無人機性能試驗

對改進后的四旋翼無人機進行3個方面試驗：續航時效、載重能力及主要受力電機座強度性能。

（1）使用22.2Wah的電池進行試驗，四旋翼無人機在無負重載荷的情況下，試驗結果見表1。

表1 續航時間對比

機型 電池容量（Wah） 續航時間（min）

四旋翼無人機 22.2 20

DJI Phantom 4 PRO 89.2 30

自組DIY四旋翼無人機 22.2 5

從表1可以得出，本文設計的四旋翼無人機使用22.2Wah的電池，續航能達到20分鐘，而大多數自組DIY的四旋翼無人機同樣使用22.2Wah的電池，續航時間僅有5分鐘，大疆創新科技有限公司產品Phantom 4 PRO使用89.2Wah的電池，續航時間30分鐘左右，本文四旋翼無人機續航時間較自組DIY四旋翼無人機相對增加了300%，比Phantom 4 PRO的續航時間增加了167.9%，本文設計的四旋翼無人機續航時間得到有效提升。

（2）四旋翼無人機機身整體重量僅50g，相比大疆創新科技有限公司的產品風火輪機架，重量同比減少466%，總運載能力增加20%，使用22.2Wah的電池，有效載荷能達到3kg。

（3）模擬電機座在執行任務時的受力狀況，使方孔完全約束，對4個圓孔施加均布載荷11.5N向上的拉力，使用SolidWorks Simulation做靜應力分析，結果如圖4所示。

從圖4可以得出，4個圓孔是受力最大的地方，靜應力大約為5.0×107N/m2，T300-3000碳纖維材料的屈服強度為9.3×108N/m2，因此，改進后的電機座有足夠的強度和穩定性。

結語

改進后的四旋翼無人機在手工制作上減少了更多的誤差，將誤差控制在允許無人機制造范圍內。四旋翼無人機在結構上優化至極致，使得四旋翼無人機改進后沒有冗余結構，在性能上有了進一步提升，運載能力得到有效的提升。四旋翼無人機大量采用復合材料，增加了四旋翼無人機整體強度，使得無人機在長時間飛行中可以更加高強度的執行任務。

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