小型旋翼無人機飛行性能優化設計

任帥　鞏子瑜　劉兆鵬　史思楊

摘 要：針對市面上小型四旋翼單次續航時間不足、工作效率低，成本太高等缺點，設計和實現一款長航時四旋翼無人機，可搭載1～3公斤的工作平臺，可折疊，運輸方便，可進行高機動飛行動作，能適應多種不同場地的工作任務，搭配的高效率動力系統能實現單次飛行時間不低于60分鐘，可解決市面上多數旋翼機續航時間不足的問題。四旋翼無人機的動力系統的選擇會直接影響到最后續航時間的長短，本設計的重點針對不同的動力系統進行選擇和測試，通過對動力系統各部件參數建立數學模型，得出適合長航時無人機的動力搭配，再通過地面測試臺進行對比分析驗證，給出最優的動力系統搭配。運用CATIA、CAD、ANSYS等設計分析軟件，完成對四旋翼無人機的結構設計。

關鍵詞：四旋翼無人機;飛行性能;續航時間;動力系統;優化設計

1 引言

隨著科技的發展進步，無人機的行業應用越來越受到人們的關注，特別針對小型四旋翼無人機，其憑借經濟性，便攜性，可垂直起降，安全性和可靠性而被廣泛的運用在人們的生活之中[1-2]。目前市場上做消費級及工業級無人機很有競爭力的公司大疆創新在四旋翼無人機的續航方面做了很多改進，但仍有可進一步優化的空間[3]。

本文采用更輕質的復合材料，根據電機螺旋槳與動力系統的搭配情況擇優設計，綜合考慮電池的重量，效率和壽命，并對電池進行重新設計組裝，以搭配設計好的動力系統。選擇最合適的無刷電機符合飛行任務的動力系統，優化電子調速器，以求動力系統達到最優化的預期效果。

2 旋翼無人機設計

2.1旋翼動力系統設計

用Itcch8816系列電子負載對鋰離子電池進行放電實驗測試[4]。根據優化得出的動力系統和鋰離子電池放電時間的計算模型，最后求出該四旋翼無人機設計的航時目標不低于60分鐘， 電池所需的最小容量 =175000mAh，選用單個索尼18650電池的容量為3000mAh，則至少需要該18650電池的個數為N=59。

通過電機測試臺得到的一系列數據表明MAD 5008 170kv電機具有很好的長航時特性，良好的散熱性能，很高的轉化效率。為了和其他電機進行對比分析，我們將它與其它電機進行了地面測試，作出了電機力效對比圖。如圖1所示。并為此電機選擇搭配22寸螺旋槳，XRotor micro 35A BLHeli電調。

為了更好的連接整個動力系統，本文將60塊18650鋰電池分成6組，每組10塊，每組的10塊并聯，然后分成的6組串聯起來，這樣便可以形成一塊6s電池，以滿足電機所需的輸入電壓。電池首先與電調串聯，然后再與電機串聯。

2.2 旋翼結構設計

設計中心板及飛控隔板，為減輕結構重量，進行鏤空處理。中心板上下蓋板之間用40mm的7075鋁柱進行連接，如圖2所示。

四旋翼無人機的軸距為1188mm，機臂長度為500mm。電池盒最后將裝在中心板的中間，通過飛控隔板支撐。

3結構仿真分析

為了驗證四旋翼無人機的機臂是否滿足強度要求，本文對機臂建立靜力學模型，通過ANSYS分析軟件對整個機臂結構受力進行驗證，確保無人機在飛行工作過程中的安全與穩定。導入機臂模型。

導入后進行網格劃分，然后對機臂模型施加約束，最后施加作用力，即可進行結構的靜力學分析。如圖3是ANSYS對該機臂的靜力學分析結果，可以看出力大小的分布，從外形來看，機臂有彎曲的趨勢，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，從而可以推斷機臂傳遞給機身中心板的力矩很小，不會對整個機身產生大的形變量，從而確保了整架飛機在飛行過程中的穩定性。

4? 無人機制作

中心板由碳纖維復合材料制作，其中與機臂連接處的鋁柱區別于其他鋁柱的地方在于中間開了圓孔，便于碳桿固定。圖4是上下蓋板合上后形成的機身盒式結構。

要使電機安裝在機臂上，需要設計一個電機座，使電機先固定在電機座上，然后再將電機座與機臂固定，在電機座的選材上，本文采用3D打印技術制作電機座。

動力系統與機身結構的組裝主要包括電池的安裝，電機與電調的安裝，電調與電池的安裝。其中電池是安裝在一個電池盒中，電池盒安裝在機身中心板的中間，電池盒的底部會伸出兩個插口，對應中心板下蓋板上的兩個插口，四個電機與電調串聯起來，一一對應，最后四根電調延伸出來的延長線將分成兩組，分別焊接在兩個下蓋板的插口上，當電池盒安裝進機身中心板后，便實現了電池與電調的接通，從而對整個動力系統進行供電。

本文設計的無人機起落架是一個上端開孔，下端支撐的結構，開孔的目的在于方便與機臂套接在一起，下端主要起支撐作用，使無人機在降落或者停在路面上時，讓中心板下蓋板和電機遠離地面，防止刮擦損傷。起落架選擇的制作工藝是3D打印，這樣既可以保證結構強度，也能減輕結構重量。

5 結論

本文從提高無人機續航時間的角度出發，分析國內外旋翼機續航現狀，針對無人機的動力系統建立相應的數學計算模型，根據所要達到的參數指標，求解出相應的參數值，然后選擇最優的搭配方案，對動力系統進行地面測試，測出效率最高點對應的電流電壓值，根據電流電壓值進一步優化動力系統搭配方案，確認動力系統的選擇后針對各個動力系統的部件以及無人機飛行過程中的受力狀況，設計優化無人機的機身結構，以達到結構具有足夠的強度，同時質量很輕的要求。在最終的試飛過程中，整架飛機單次續航時間超過60min，實現了最初的長航時要求，同時降低了制作成本和維護成本，達到了課題研究目的，為小型四旋翼無人機的發展提供了一些數據支持。

參考文獻：

[1]張紅崗.多旋翼無人機的應用[J].農電管理，2018（08）：43.

[2]李博，李小民，楊森.美國四旋翼無人機研究現狀與關鍵技術[J].飛航導彈，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狀與關鍵技術[J].電光與控制，2007（06）：113-117.

[4]鐘良濤，黃琦夢，代杰.多旋翼無人機用鋰電池組電源管理系統設計[J].電源世界，2019（01）：28-30.

本項目由研究生科技創新基金資助 項目號：2017012091.