變槳距四旋翼飛行器的研究

吳湘蓮，沈旭東

（嘉興職業技術學院，浙江嘉興，314000）

1 國內外研究現狀

旋翼飛行器的出現較早，但是由于當時的技術發展有限，所以直到近幾年旋翼飛行器才得到迅速的發展。目前由美國Dragan flyer公司開發研制的。Dragan flyer四旋翼飛行器已經推出了第四代產品，它是典型的帶遙控的航模控制四旋翼飛行器。其機身的寬度為72cm，高度為18cm，螺旋槳的直徑為28cm，起飛為513g，機身采用碳纖維復合材料制成，并且裝有2.4GHz的無線傳輸攝像頭，可以在大概距離800m的范圍內進行無線遙控，此產品主要應用于航拍。機載的控制系統可以通過控制四個電機的轉速達到控制飛行器的姿態控制。另外，為了增加姿態的穩定控制還使用了三個壓電晶體陀螺儀。

國內的四旋翼研究起步較晚，與國外相比有一定的差距，國內主要從事四旋翼飛行器研究的高校有清華大學、哈爾濱工業大學、南京航空航天大學、上海交通大學等。雖然國內的多旋翼研究起步較晚，但是由于有先前的發展經驗借鑒，所以起點較高，近年來也取得了一些成果。其中清華大學在四旋翼控制中引入了紅外測距儀，并將距離數據與姿態傳感器數據進行融合，實現了三維空間中的自主定位與飛行。早在 2006 年國防科技大學就開始了四旋翼的研發工作，第一代試驗樣機起飛重量 750g，機架長度 72cm，每個電機經過減速齒減速為旋翼螺旋槳提供動力。并且與常規的四旋翼不同的是，其內部采用基于 Backstepping 的控制算法進行控制，取得了一定的研究成果。

2 變槳距四旋翼飛行器整機結構研究

■2.1 支架結構

四旋翼飛行器骨架支架結構，采用了兩種方案進行比對：方案一，采用工字型結構。原先設計的整體外形是工字型，但是在后來的測試過程中發現，這樣的結構很容易扭，如圖1所示。經過反復調整測試，在結構上調整為II型，可以有效的提高整機的強度，如圖2所示，同時采用了雙電機的設計方式。

圖1 工字型結構

圖2 II字型結構

在外形結構方面，因為無人機對穩定性和靈活性有很嚴的要求，本項目選擇的材料具有強度高同時重量輕的特性，其中無人機的機臂選擇碳管材質，電機板為環氧樹脂板，變距部分因為對強度和阻尼的嚴格要求，直接購買成品，航模直升機的尾波箱與其結構相似，稍作改動即可使用，一些形狀特殊的連接件，畫出三維圖后，使用3D打印的技術制作，節省時間與經費。為了達到減輕重量的目的，螺栓和螺柱我們選擇用尼龍材質取代金屬材質。

圖3 關鍵部件

中間管夾是用來固定電機板夾和變槳距四軸的，而機電板固定電機和3個齒輪，通過碳管管夾將2跟碳管和變槳距四軸相連起到穩定作用。

■2.2 傳動結構

傳動結構主要由同步帶、同步輪、軸承、限位圈等零件組成，用于將電機輸出的轉矩傳動到每一個槳的軸上，使其能夠轉動，這是整架無人機能夠起飛的保證，傳動系統設計要求配合精密，飛行過程中盡量減少震動，因此要做的足夠穩定可靠。

動力由電動機提供，而無刷電動機是由三相無刷電子調速器控制動力，通過波輪箱將動力平均反向的提供給兩個槳葉，通過高精度數字金屬舵機控制槳葉螺距，改變動力方向，達到飛機的控制目的。

圖4、圖5為波輪箱的模型圖，它是由3個齒輪組成，最小的齒輪是由馬達帶動的，通過最小的齒輪帶動2個大齒輪做反向的勻速轉動。

圖4 波輪箱正面

軸傳動和皮帶傳動的選擇：現在市場上大多數采用的是軸傳動，現代的工業制造技術已經很發達，制造的精密度也是很高的，軸傳動的精密度很高，但是在制作過程中很難實現，而皮帶傳動不僅可以保證所需的效果，同時降低了對精度的要求，提高系統的可靠性和安全性。

圖5 波輪箱底部圖

圖6 變槳距四軸

圖7 皮帶傳動

■2.3 動力系統

動力系統主要包括電池，電機，電調，舵機和槳葉，選擇合適的配件能夠在功率一定的情況下獲得更大的升力，也就是無人機能夠保持更長的飛行時間，提供更好的飛行體驗。

該無人機采用可充鋰電池作為動力來源，給電機供電，使其轉動，同時給接收機和飛機的控制系統供電，使其能正常工作，進而能調節電機轉速和舵機舵量，這是整架無人機得以飛行的基礎。

（1）動力電池

蓄電池是無人機的供電設備，本項目選擇3S 5200mah 35C電池，電壓為11.1V，容量5200mAh，放電倍率35C，最大放電電流為182A，最大充電電流26A，在理論論證中，能夠滿足無人機對電壓電流的需要同時保證較長的飛行時間。

圖8 蓄電池

圖9 電機

（2）電調設備

電子調速器是控制電機轉速的電子設備，俗稱電調。它將控制系統輸出的信號進行分析計算，輸出給電機，從而控制電機的轉速和轉向。主要參數有持續電流，瞬間電流，鋰電池節數，BEC類型和重量等，在選擇過程中，注意持續電流和鋰電池節數，蓄電池電芯數應符合鋰電池節數要求，持續電流在達到電機工作要求，同時不宜超過蓄電池的最大放電電流。

（3）舵機控制

舵機是控制螺旋槳螺距的設備，對它的響應速度和精度要求極高。一個性能優良的舵機對無人機整體性能的提高具有至關重要的作用。而一架四軸無人機至少需要配備四個高性能舵機。

（4）螺旋槳槳葉

螺旋槳是無人機得以產生升力的關鍵部件，依據帕努利定理—“流體對周圍的物質產生的壓力與流體的相對速度成反比”。螺旋槳就好像一個豎放的機翼，凸起面向前，平滑面向后。旋轉時壓力的合力向前，推動螺旋槳向前，從而帶動飛機向前。因為我們設計的是變槳距四軸，所以槳葉又與一般的螺旋槳槳葉有所不同。我們用圖10所示的螺旋槳取代常見的圖11所示的槳葉形式，以達到螺距可變的目的。

圖10 定槳距槳葉

圖11 變槳距槳葉

■2.4 控制系統

控制系統的主要設備是飛行控制器，簡稱飛控，其作用是感知無人機在空間三維方向上的變化，同時根據控制者的需要，進行姿態的調整及穩定。控制系統有人工和自動控制兩部分，其中人工控制是指將無人機按照人的意愿通過遙控器給無人機發送信號，調整其飛行姿態，自動控制由無人機上帶有的飛行控制系統負責，自動感知自身姿態的變化，進行相應調整，為其自動保持穩定狀態。

飛行器的飛行控制系統選擇成品飛控。目前市場上的幾款變槳距飛控中，3DQ飛控相對穩定性好，運用先進的、專一的控制算法邏輯。具有一定的自穩功能，但每架無人機的結構，質量，重心都有所差別，因此相關數據需要在完成無人機的搭建，將飛控安裝上去之后經過不斷的調試得出參數。內置獨立IMEU減震模塊，在工業化運用中可搭配專用減震平臺。可裝載高精度GPS模塊，實現高效定位。顛覆傳統多軸的體驗，獨有的高精度控制和高性能手感控制系統除了飛控之外，還包括操縱者手中的遙控器和位于無人機上的接收機起達到操縱者手動控制無人機飛行姿態的目的。

3 結論

變槳距四旋翼飛行器是通過改變槳的螺距大小來改變升力的，這種控制策略可使飛行器姿態的響應和控制的延遲都變得較小，同時可以節省資源和能耗。采用兩個電機的設計既達到了配平重心的目的，又減輕了單個電機的壓力，用Y線將兩根電機線連在一起，達到使兩個電機轉速相同的目的。采用皮帶傳動的設計是在對兩種方法反復斟酌之后的選擇，相比之下，皮傳雖精度稍差，但性價比高，容易更換，在與軸傳的比較中有著更明顯的優勢。變螺距的結構使得無人機的操作更為細膩，任何細微的動作都會使無人機的飛行姿態發生很大的變化，所以本項目要求飛手具有較高的無人機操作水平。