陸空兩用無人小車的設計及分析

王曉東 任俊楠 冒亞萍 孫 楊

(南通理工學院 汽車工程學院,江蘇 南通226000)

1 概述

隨著人們對各領域的探索和開發,無人機和無人小車的應用越來越廣泛,同時其各自弊端愈發明顯。無人機續航時間短、負載能力差、環境適應性差,無人小車移動速度慢、受地形影響較多,單獨個體不能很好的滿足人們多元化的需求。許多國家已開始進行陸空兩用無人小車的研究[1]。常見的陸空兩用小車是將飛行系統和陸地系統分開布置設計,即螺旋槳與車輪為非同軸式結構,這導致小車結構的冗雜、控制系統的復雜以及故障率的增加,降低了整車工作效率[2]。鑒于此,本文設計了一款陸空兩用無人小車,將螺旋槳與車輪在結構上有效結合,配合油電混合動力系統,使之不僅具備多旋翼無人機的高通過性和靈活性,也具備輪式地面無人車的長續航優勢,能夠更好的應對各種不良工作環境。

2 工作原理分析

2.1 地面行駛原理

如圖1 所示為陸地行駛模式下的小車簡圖。其螺旋槳槳面通過翻轉機構旋轉至與地面垂直狀態,通過接合套改變齒輪接合形式,實現前后軸旋向相同,可共同驅動小車前進。每個半軸都安裝一個盤式制動器,在行駛過程中可起到轉彎與制動的效果。

圖1 陸地行駛狀態簡圖

左側兩制動器夾緊,可限制或制止左側車輪轉動,同時由于差速器的作用,右側車輪加速旋轉,達到向左轉向或原地左轉的效果。同樣的,右側制動器加緊,可向右轉向或原地右轉。行駛時所有制動器動時加緊可起到緊急制動的效果。

2.2 空中飛行原理

如圖2 所示為空中飛行模式下的小車簡圖。螺旋槳槳面通過翻轉機構旋轉至水平位置,通過接合套改變齒輪接合形式,實現前后軸旋向相反。而由于翻轉機構的作用,同軸的槳葉旋向相反,故同側槳葉旋向也相反,對角槳葉旋向相同,槳葉高速旋轉產生的自轉力矩可以相互抵消。而通過四個半軸制動器配合作用,可實現飛行時不同的運動方式。

俯仰運動：令前軸兩個半軸制動器輕微夾緊,如圖2,即1槳和2 槳的半軸制動器夾緊,可使前軸升力略微小于后軸,車身向前小幅度翻滾,因而車身可加速向前飛行。同理,后軸半軸制動器輕微夾緊,可使車身向前飛行時減速,或空中靜止后向后加速。

橫滾運動：與俯仰運動相似,令車身左側兩個半軸制動器輕微夾緊,即1 槳和3 槳半軸制動器夾緊,可使左側升力小于右側,車身小幅度向左翻滾,因而車身可向左加速飛行。同理,右側半軸制動器夾緊,可使車身向右加速飛行。

偏航運動：令對角兩個半軸制動器輕微夾緊,如1 槳和4 槳的半軸制動器輕微夾緊,四槳的轉速差會形成力矩差,使車身按順時針方向旋轉。同理,使2 槳和4 槳的半軸制動器輕微夾緊,車身會逆時針旋轉。

3 主要部件的選型

3.1 發動機的選型

發動機是陸空兩用無人小車動力裝置的核心設備,不僅作為動力源直接輸出動力,還可以帶動發電機運轉,將機械能轉化為電能給電動機提供能量及電池充電,合理的選型決定了無人小車的各類性能和對環境的適應能力。

圖2 空中飛行狀態簡圖

目前,無人機常用的發動機主要有活塞式和噴氣式兩大類。活塞式發動機有較長遠的發展歷史且技術發展較為成熟,而噴氣式發動機憑借其優異的推重比和高轉速時的燃油經濟性迅速取代后者,成為航空發動機的主流。但對于噴氣式發動機而言,功率越小,其可靠性和燃油經濟性就越差,鑒于本設計為小型無人車,綜合考慮選用活塞式發動機[3]。

3.1.1 發動機的基本要求

3.1.1.1 比功率大。陸空兩用無人小車不僅滿足陸地行駛基本功能,還具有空中飛行的功能,因為空中飛行對飛行器的重量有較高要求,因此作為重要部件,要求發動機有較高的功率質量比。在滿足最大功率的情況下保證機體輕量化以確保無人車能夠平穩、可控、持續地飛行。

3.1.1.2 能耗小。即有較好的燃油經濟性,節能減排的同時,相同的油箱容積下一定意義上提高了小車的續航能力。

3.1.1.3 安全可靠。為了維持無人車在空中飛行時的安全性,發動機必須有較好的安全可靠性,描述發動機可靠性的參數是：空中停車率=發動機空中故障次數/飛行時長。

3.1.1.4 維護方便。有效減小后期小車維護成本。

3.1.2 具體型號的選擇

綜合考慮無人小車的自身重量、負載能力、續航能力、具體尺寸及使用環境等,選擇一款現有的水平對置、雙缸兩沖程汽油機DLE120,具體參數見表1。

表1 發動機DLE120 具體參數

3.2 電動機的選型

陸空兩用無人小車在工作的過程中,因負載和工況的改變會經常性地起動/停車、加速/減速等,而且會面臨高寒、低氧的惡劣環境。因此要求相比于一般的工業性電動機有更高的性能要求,基本要求如下：

(1)電動機應具有瞬時功率大、超負載起動性好、加速能力強、使用壽命長的特點。

(2)電動機應體積小、質量輕、有較高的功率質量比。.

(3)電動機應有較好的可靠性,能夠適應各種惡劣環境,如高寒、低氧等。

(4)電動機應運行時噪聲低,減少污染。

一般小型無人車所用電動機均為直流電動機,直流電動機根據換相方式的不同分為有刷和無刷直流電動機。有刷直流電動機采用機械結構換相,因存在機械摩擦所以有較大的工作噪聲,且換相容易產生火花。而無刷直流電動機采用電子換相的方法有效彌補了有刷直流電動機的相應缺點,且無刷直流電動機更是具有易于調速、起動轉矩大、可靠性高、功率質量比大和轉矩特性優異等優點[4]。綜合考慮本設計采選用無刷直流電動機。

3.3 電池的選型

無人小車電池選用需考慮的因素：

(1)輸出電流大于電動機最大電流,且持續輸出電流大于電調最大持續輸出電流。

(2)有較好的比能量和比功率,滿足小車輕量化需求。

(3)綠色環保,無污染,可再次利用。

(4)循環壽命長。

表2 為三種常見的動力蓄電池性能的對比。

表2 三種動力蓄電池的技術性能

通過對比發現,鋰離子電池比功率、比能量較高,有助于提高小車的動力性及續駛里程,同時自放電率低、壽命長等都具有優勢,再綜合考慮無人小車工作環境因素及要求,最終選擇鋰離子電池。

4 陸空兩用無人小車主體結構設計

4.1 主體結構

圖3 為陸空兩用無人小車機械機構示意圖。其中原動機包括發動機12 和電動機10,發動機12 通過動力系統與電動機10相連,并可以單獨或與電動機共同輸出轉矩與轉速。動力系統還包括盤式制動器11、公共太陽輪9 和行星齒輪組8 等。原動機輸出的動力經由皮帶傳動裝置7 傳遞到傳動軸6,傳動軸6前后兩端各存在一個驅動橋。前橋動力由主減速器5 輸入,經由差速器4 傳遞向左右半軸。后橋動力由后主減速器輸入,經由扭矩換向差速器1 總成傳遞至左右半軸。最終,動力經過翻轉機構總成3 由輪轂螺旋槳一體化機構2 轉化為飛行時的拉力或行走時的驅動力。

圖3 陸空小車機械機構

圖4 扭矩換向- 差速器總成

4.2 扭矩換向- 差速器結構

如圖4 為扭矩換向- 差速器總成。其中主減速器的結構為單級直尺錐齒輪,且后軸主減速器兩個從動錐齒輪2 和6 為左右對稱布置,從動錐齒輪與主動錐齒輪1 同時嚙合,在運轉過程中轉向相反。從動錐齒輪2 通過軸承7 固定在半軸上,除了通過接合齒圈5 與接合套3 連接外,與總成其它部件沒有動力傳遞。即動力經主動錐齒輪1 傳遞至從動錐齒輪2,再由其中一個從動錐齒輪2 通過接合齒圈5 與接合套3 連接,將動力經結合套3 傳遞至差速器外殼4。最終,動力由差速器向左右半軸8輸出。

接合套3 由撥叉9 和活塞缸10 控制,可左右軸向移動。如圖4 所示,接合套3 移至左端后,與左從動齒輪2的接合齒圈5 和差速器外殼4 同時連接并傳遞動力。此時前后驅動橋半軸的轉向相反,進一步使螺旋槳在提供升力的同時,抵消高速旋轉時產生的扭矩。

5 結論

本文設計了一款新型陸空兩用無人小車,分析了地面行駛和空中飛行兩種工作模式的實現原理,并闡述兩種模式下小車運動姿態的調整方式。綜合考慮無人小車的性能要求及對環境的適應能力,通過對比不同的發動機、電動機及電池,最終確定了型號為DLE120 的水平對置式雙缸二沖程汽油機,同時采用無刷直流電動機配合發動機為無人小車提供動力,實現混合動力的目的,電池方面則選用性能較好的鋰離子電池以滿足工作時長的要求。其后,對整體結構及工作原理進行了闡述,并對扭矩換向差速器總成的結構和運作方式進行了著重說明。整體設計方案具有較高的可行性及可靠性,同時可為后續試驗機的開發提供了重要依據。