垂直起降運載無人機的設計制作與優化

彭偉程 張兵

【摘 要】目前，民用無人機主要為旋翼式和固定翼式兩種，且各有優劣。本文針對起降條件差，飛行環境復雜多變的情況設計了一種固定翼式垂直起降無人機。彌補了固定翼飛機起降距離過長，且對路面質量要求較高;旋翼機續航時間較短，無法進行長時間飛行，且飛行速度較慢等問題，并通過雙槳差速有效提升了飛機的機動性，安裝飛行控制器提升了飛機飛行的穩定性，并實現了模塊化制作組裝。最后，總體結構和主要零部件進行了二維設計和三維建模，實現了無紙化設計和虛擬仿真。

【關鍵詞】垂直起降;雙槳差速;飛行控制器;模塊化制作組裝

中圖分類號： V423 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）07-0027-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.011

0 引言

無人機（縮寫為UAV）又稱“空中機器人”，是一種動力驅動、機上無人駕駛、可重復使用的航空器。大體上是由無人機載體、地面站設備（無線電控制、任務控制、發射回收等起降裝置）以及有效負荷三部分組成的。根據無人機的結構、飛行時間、飛行距離、或執行任務的性質等特點我們可以把它劃分為不同種類。從總體結構來看，無人機有固定翼、垂直旋翼、傾斜旋翼之分;根據活動半徑和續航時間，無人機可大體分為近程、短程、中程和遠程四類;根據用途，我們又可以把無人機分為軍用和民用兩大類。無人機是1917年由英國首先研制成功的。雖然它問世已久，但直到這世紀五十年代才得到真正的發展。近年來，我國無人機更是發展迅速，軍用無人機代表有彩虹-5、翼龍-2、翔龍無人機和天鷹無人機等。民用上更是厲害，我國大疆占據全球民用小型無人機約70%的市場份額。如今正是無人機發展的最迅速的時候，國家也在政策上鼓勵支持，無人機的設計制造近年來逐漸火熱。

目前市面上的民用無人機主要分為旋翼機和固定翼式飛機兩種，兩種飛機各有優缺點。旋翼機的優點有：（1）可垂直起降，不需要彈射器，可懸停、側飛、倒飛。（2）飛行高度低，執行特種任務能力強。（3）結構簡單，控制靈活，成本低，且易于維護。（4）體積輕，重量輕，噪音小。但續航時間較短，無法進行長時間飛行，且飛行速度較慢。固定翼式飛機優點有：（1）續航時間長，航程長，經濟性好。（2）運載能力強，可同時搭載多載荷。（3）飛行速度快，飛行機動性好。但起降距離過長，且對路面質量要求較高。

如今隨著社會的發展，無人機廣泛應用于航拍測繪、電力巡線、地質勘測、城市應急監視、快速運輸等領域。在工作過程中，往往會遇到起降條件較差，工作環境復雜多變的情況，單純的旋翼機或固定翼式飛機已經不能很好地完成工作任務。迫切需要一款綜合性強，能適應多種環境的新型無人機。

1 功能分析

為了更好地滿足市場需求，該垂直起降無人機具備以下特點和優勢：

（1）將旋翼機與固定翼機有機結合，起降采用旋翼機垂直起降方式，縮短了起降距離，降低了對起降條件的需求;在飛行時采用固定翼式平飛，飛行速度較旋翼機大大提高，且降低了飛行能耗，延長了續航時間和里程。

（2）運載與投放裝置可模塊化拆卸：運載與投放裝置可從機身上拆卸下來，進行搭載其他的機載設備，從而使飛機具備多功能使用的能力

（3）平飛采用差速轉向，顯著減小轉彎半徑，提高了機動性，降低轉向時的空氣阻力

（4）搭載飛行控制器，可輔助調節副翼偏向，提高操控的穩定性，降低操控難度，

（5）各部件固聯采用自行設計連接木塊，減少了膠水的使用，降低了機身重量，簡化了制作流程，便于后期保養與維修。

2 機體結構設計

2.1 主體機身

如圖2-a所示，該無人機采用雙凸對稱翼a-1，較低的翼型相對厚度。縱向骨架采用碳纖維與方桐木a-12結合，方桐木用于安裝時定位，在進行蒙皮時提供著著力點。碳纖維a-11用于增加強度，保證機翼主體結構保持穩固。

2.2 轉向舵面

轉向舵面5主體材料采用巴爾沙木，表面進行蒙皮處理。舵面與機身采用纖維膠帶雙向鉸接，轉向舵響應速度加快。

2.3 運載與投放裝置

運載裝置由運載環3與彈性碳纖維桿9組合而成，桿件連接相鄰木圈，固定于底座，著陸時發生彈性形變，減小沖擊對機體結構的破壞

投放機構由舵機7及碳纖維桿8組成。舵機行程為0～90°，碳纖維桿固定于舵機搖臂，當舵機旋轉90°時，該桿沿運載木圈的徑向方向，封閉貨艙;投放時舵機角度歸零，打開貨艙投放。

3 三維模型的建立

3.1 部分零部件

3.2 各個機體部件（包含裝配圖）

（1）機翼

機翼采取曲面，空氣動力性能好1）機翼：機翼面積大，所受升力大;采用流線型，空氣動力性能好，阻力小，提高速度和航程。

（2）電機固定座

電機固定座：制作木機，，但電機安裝已不能用常規方法。本方案電機固定座采取與機翼結合的方法，安全穩定。

（3）運載與投放裝置

投放裝置：在兩邊設置兩個對稱投放環，一，保持重心在中間位置，不會造成飛行和投放過程失穩。二，運載量大，效率高。投放靈巧，底部由舵機固聯擋桿，到達指定位置后，旋轉舵機，由此使小球投放，快速精確。三維建模示意圖如圖所示

（4）起降支撐支架

機型由多碳棒支撐，使用等大立方體小木塊，將木棒固定連接起來，提高碳棒間的聯系，受力更加均勻，大大地吸收降落時的沖擊載荷，保護整體機身。

4 飛行控制原理

（1）螺旋槳的差速偏航控制：該無人機采用雙螺旋槳提供動力，在平飛狀態下通過遙控器混控讓兩支螺旋槳擁有一定的速度差，使得兩側流經的氣流速度不一樣，從而讓機身在水平方向進行偏轉，進而減小了轉彎半徑，提高了機動性能。

（2）垂直與平飛姿態之間的互相轉換：在垂直飛行的狀態下，通過操縱舵機控制副翼偏轉一定的角度，使得流經的空氣朝一方偏移，推動飛機機身進行翻轉運動。由于使用飛控進行輔助控制，能在飛機受到外界氣流干擾時自動調節舵面轉向來調節飛機姿態，從而使得本機在垂直與水平姿態及其相互轉換時都能保持穩定，降低了對操作人員的技術要求，同時也避免了可能因轉換引發的意外。

5 結語

本項目據市場需求進行改進現有市面上的無人機，制作出了現在的垂直起降無人機，實用性更高，適用范圍更廣，采用不同種機型進行優化改良，利用三維建模技術驗證理論可行性，再實際制作進行下一步的調整，滿足了市面上一些對于此方面無人機的需求。

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