小型旋翼無(wú)人機(jī)飛行性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

任帥　鞏子瑜　劉兆鵬　史思楊

摘 要：針對(duì)市面上小型四旋翼單次續(xù)航時(shí)間不足、工作效率低，成本太高等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一款長(zhǎng)航時(shí)四旋翼無(wú)人機(jī)，可搭載1～3公斤的工作平臺(tái)，可折疊，運(yùn)輸方便，可進(jìn)行高機(jī)動(dòng)飛行動(dòng)作，能適應(yīng)多種不同場(chǎng)地的工作任務(wù)，搭配的高效率動(dòng)力系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)單次飛行時(shí)間不低于60分鐘，可解決市面上多數(shù)旋翼機(jī)續(xù)航時(shí)間不足的問(wèn)題。四旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)的選擇會(huì)直接影響到最后續(xù)航時(shí)間的長(zhǎng)短，本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)針對(duì)不同的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行選擇和測(cè)試，通過(guò)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)各部件參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，得出適合長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)的動(dòng)力搭配，再通過(guò)地面測(cè)試臺(tái)進(jìn)行對(duì)比分析驗(yàn)證，給出最優(yōu)的動(dòng)力系統(tǒng)搭配。運(yùn)用CATIA、CAD、ANSYS等設(shè)計(jì)分析軟件，完成對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：四旋翼無(wú)人機(jī);飛行性能;續(xù)航時(shí)間;動(dòng)力系統(tǒng);優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 引言

隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，無(wú)人機(jī)的行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越受到人們的關(guān)注，特別針對(duì)小型四旋翼無(wú)人機(jī)，其憑借經(jīng)濟(jì)性，便攜性，可垂直起降，安全性和可靠性而被廣泛的運(yùn)用在人們的生活之中[1-2]。目前市場(chǎng)上做消費(fèi)級(jí)及工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)很有競(jìng)爭(zhēng)力的公司大疆創(chuàng)新在四旋翼無(wú)人機(jī)的續(xù)航方面做了很多改進(jìn)，但仍有可進(jìn)一步優(yōu)化的空間[3]。

本文采用更輕質(zhì)的復(fù)合材料，根據(jù)電機(jī)螺旋槳與動(dòng)力系統(tǒng)的搭配情況擇優(yōu)設(shè)計(jì)，綜合考慮電池的重量，效率和壽命，并對(duì)電池進(jìn)行重新設(shè)計(jì)組裝，以搭配設(shè)計(jì)好的動(dòng)力系統(tǒng)。選擇最合適的無(wú)刷電機(jī)符合飛行任務(wù)的動(dòng)力系統(tǒng)，優(yōu)化電子調(diào)速器，以求動(dòng)力系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化的預(yù)期效果。

2 旋翼無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)

2.1旋翼動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用Itcch8816系列電子負(fù)載對(duì)鋰離子電池進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)測(cè)試[4]。根據(jù)優(yōu)化得出的動(dòng)力系統(tǒng)和鋰離子電池放電時(shí)間的計(jì)算模型，最后求出該四旋翼無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)的航時(shí)目標(biāo)不低于60分鐘， 電池所需的最小容量 =175000mAh，選用單個(gè)索尼18650電池的容量為3000mAh，則至少需要該18650電池的個(gè)數(shù)為N=59。

通過(guò)電機(jī)測(cè)試臺(tái)得到的一系列數(shù)據(jù)表明MAD 5008 170kv電機(jī)具有很好的長(zhǎng)航時(shí)特性，良好的散熱性能，很高的轉(zhuǎn)化效率。為了和其他電機(jī)進(jìn)行對(duì)比分析，我們將它與其它電機(jī)進(jìn)行了地面測(cè)試，作出了電機(jī)力效對(duì)比圖。如圖1所示。并為此電機(jī)選擇搭配22寸螺旋槳，XRotor micro 35A BLHeli電調(diào)。

為了更好的連接整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)，本文將60塊18650鋰電池分成6組，每組10塊，每組的10塊并聯(lián)，然后分成的6組串聯(lián)起來(lái)，這樣便可以形成一塊6s電池，以滿足電機(jī)所需的輸入電壓。電池首先與電調(diào)串聯(lián)，然后再與電機(jī)串聯(lián)。

2.2 旋翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中心板及飛控隔板，為減輕結(jié)構(gòu)重量，進(jìn)行鏤空處理。中心板上下蓋板之間用40mm的7075鋁柱進(jìn)行連接，如圖2所示。

四旋翼無(wú)人機(jī)的軸距為1188mm，機(jī)臂長(zhǎng)度為500mm。電池盒最后將裝在中心板的中間，通過(guò)飛控隔板支撐。

3結(jié)構(gòu)仿真分析

為了驗(yàn)證四旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)臂是否滿足強(qiáng)度要求，本文對(duì)機(jī)臂建立靜力學(xué)模型，通過(guò)ANSYS分析軟件對(duì)整個(gè)機(jī)臂結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行驗(yàn)證，確保無(wú)人機(jī)在飛行工作過(guò)程中的安全與穩(wěn)定。導(dǎo)入機(jī)臂模型。

導(dǎo)入后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后對(duì)機(jī)臂模型施加約束，最后施加作用力，即可進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析。如圖3是ANSYS對(duì)該機(jī)臂的靜力學(xué)分析結(jié)果，可以看出力大小的分布，從外形來(lái)看，機(jī)臂有彎曲的趨勢(shì)，彎曲形變不明顯，在靠近兩根碳桿的地方力最小，形變量最小，從而可以推斷機(jī)臂傳遞給機(jī)身中心板的力矩很小，不會(huì)對(duì)整個(gè)機(jī)身產(chǎn)生大的形變量，從而確保了整架飛機(jī)在飛行過(guò)程中的穩(wěn)定性。

4? 無(wú)人機(jī)制作

中心板由碳纖維復(fù)合材料制作，其中與機(jī)臂連接處的鋁柱區(qū)別于其他鋁柱的地方在于中間開(kāi)了圓孔，便于碳桿固定。圖4是上下蓋板合上后形成的機(jī)身盒式結(jié)構(gòu)。

要使電機(jī)安裝在機(jī)臂上，需要設(shè)計(jì)一個(gè)電機(jī)座，使電機(jī)先固定在電機(jī)座上，然后再將電機(jī)座與機(jī)臂固定，在電機(jī)座的選材上，本文采用3D打印技術(shù)制作電機(jī)座。

動(dòng)力系統(tǒng)與機(jī)身結(jié)構(gòu)的組裝主要包括電池的安裝，電機(jī)與電調(diào)的安裝，電調(diào)與電池的安裝。其中電池是安裝在一個(gè)電池盒中，電池盒安裝在機(jī)身中心板的中間，電池盒的底部會(huì)伸出兩個(gè)插口，對(duì)應(yīng)中心板下蓋板上的兩個(gè)插口，四個(gè)電機(jī)與電調(diào)串聯(lián)起來(lái)，一一對(duì)應(yīng)，最后四根電調(diào)延伸出來(lái)的延長(zhǎng)線將分成兩組，分別焊接在兩個(gè)下蓋板的插口上，當(dāng)電池盒安裝進(jìn)機(jī)身中心板后，便實(shí)現(xiàn)了電池與電調(diào)的接通，從而對(duì)整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行供電。

本文設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)起落架是一個(gè)上端開(kāi)孔，下端支撐的結(jié)構(gòu)，開(kāi)孔的目的在于方便與機(jī)臂套接在一起，下端主要起支撐作用，使無(wú)人機(jī)在降落或者停在路面上時(shí)，讓中心板下蓋板和電機(jī)遠(yuǎn)離地面，防止刮擦損傷。起落架選擇的制作工藝是3D打印，這樣既可以保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也能減輕結(jié)構(gòu)重量。

5 結(jié)論

本文從提高無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間的角度出發(fā)，分析國(guó)內(nèi)外旋翼機(jī)續(xù)航現(xiàn)狀，針對(duì)無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，根據(jù)所要達(dá)到的參數(shù)指標(biāo)，求解出相應(yīng)的參數(shù)值，然后選擇最優(yōu)的搭配方案，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行地面測(cè)試，測(cè)出效率最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流電壓值，根據(jù)電流電壓值進(jìn)一步優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng)搭配方案，確認(rèn)動(dòng)力系統(tǒng)的選擇后針對(duì)各個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的部件以及無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中的受力狀況，設(shè)計(jì)優(yōu)化無(wú)人機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)，以達(dá)到結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)質(zhì)量很輕的要求。在最終的試飛過(guò)程中，整架飛機(jī)單次續(xù)航時(shí)間超過(guò)60min，實(shí)現(xiàn)了最初的長(zhǎng)航時(shí)要求，同時(shí)降低了制作成本和維護(hù)成本，達(dá)到了課題研究目的，為小型四旋翼無(wú)人機(jī)的發(fā)展提供了一些數(shù)據(jù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]張紅崗.多旋翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用[J].農(nóng)電管理，2018（08）：43.

[2]李博，李小民，楊森.美國(guó)四旋翼無(wú)人機(jī)研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].飛航導(dǎo)彈，2018（02）：25-30.

[3]聶博文，馬宏緒，王劍，王建文.微小型四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].電光與控制，2007（06）：113-117.

[4]鐘良濤，黃琦夢(mèng)，代杰.多旋翼無(wú)人機(jī)用鋰電池組電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電源世界，2019（01）：28-30.

本項(xiàng)目由研究生科技創(chuàng)新基金資助 項(xiàng)目號(hào)：2017012091.