一種野外救援光伏無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)

王春旭 秦燕 卿曉梅 李清

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種基于光伏發(fā)電技術(shù)的野外救援無(wú)人機(jī)，主要從供電、控制、結(jié)構(gòu)三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。整體采用飛翼布局，并在機(jī)翼后掠上表面鋪設(shè)半柔性單晶太陽(yáng)能電池板。機(jī)艙帶有兩塊鋰電池。在飛行過(guò)程中，太陽(yáng)能電池板輪流給鋰電池充電，鋰電池輪流給設(shè)備供電。這種野外救援光伏無(wú)人機(jī)具有體積小、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、飛行靈活、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：光伏無(wú)人機(jī);續(xù)航時(shí)間;飛翼布局;鋰電池

Abstract： This paper designed a field rescue UAV based on photovoltaic power generation technology， mainly from three aspects of power supply， control and structure. The overall layout is flying wing， and semi flexible single crystal solar panels are laid on the swept upper surface of the wing. There are two lithium batteries in the cabin. During the flight， solar panels charge lithium batteries in turning， and lithium batteries power equipment in turn. This kind of photovoltaic UAV for field rescue has the advantages of small volume， long endurance， flexible flight， easy to carry， and has good practical value.

Keywords： photovoltaic UAV; endurance; flying wing layout; lithium battery

當(dāng)前，越來(lái)越多的年輕人喜歡戶外運(yùn)動(dòng)，但同時(shí)，戶外遇難人數(shù)也逐年升高，給救援工作帶來(lái)了極大壓力。而使用無(wú)人機(jī)參與人工救援，會(huì)大大提升搜救效率。無(wú)人機(jī)巡查效率高，巡查面積大，能為受傷人員爭(zhēng)取寶貴時(shí)間[1]。但是，由于戶外運(yùn)動(dòng)多在偏遠(yuǎn)山區(qū)，電力緊缺，供電不便，因此無(wú)人機(jī)充電成為一大難題，并且大面積山區(qū)需要無(wú)人機(jī)長(zhǎng)時(shí)間巡航，一般小型無(wú)人機(jī)沒(méi)有如此長(zhǎng)的續(xù)航能力。基于此，本文設(shè)計(jì)了一款野外救援光伏無(wú)人機(jī)。該無(wú)人機(jī)具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、工作穩(wěn)定、飛行平穩(wěn)、造價(jià)低廉、方便攜帶等特點(diǎn)，同時(shí)可以隨時(shí)使用太陽(yáng)能充電。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)

野外救援光伏無(wú)人機(jī)機(jī)體采用飛翼式布局，單位面積載重相較于普通無(wú)人機(jī)更大，飛行效率更高，機(jī)體可搭載太陽(yáng)能電池板的面積比例也更大。機(jī)翼機(jī)身直接固定，減少需要的連接件，整體更加牢固，同時(shí)還減輕了重量，保留了各種電子設(shè)備的安裝拆卸空間和安裝孔，為以后電子器件的維修和替換提供便利。飛機(jī)前后擁有兩個(gè)設(shè)備艙，增減無(wú)人機(jī)設(shè)備時(shí)，方便調(diào)整無(wú)人機(jī)的重心。機(jī)翼后翼面搭載太陽(yáng)能電池板，避免無(wú)人機(jī)降落過(guò)程中損壞太陽(yáng)能電池板。總體設(shè)計(jì)如圖1所示，分為供電設(shè)計(jì)、控制設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三部分。

1.2 供電設(shè)計(jì)

供電設(shè)計(jì)主要由兩部分組成，分別是鋰電池供電與太陽(yáng)能電池板充電。鋰電池是飛機(jī)起飛或緊急情況下的主要?jiǎng)恿?lái)源，起飛后巡航時(shí)的補(bǔ)充能源，降落后太陽(yáng)能電池板的儲(chǔ)能裝置。本設(shè)計(jì)采用10 000 mA·h鋰聚合物電池，放電倍率15C，標(biāo)準(zhǔn)電壓14.8 V，最大電壓16.8 V，安全持續(xù)放電電流10 A左右[2-3]。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由2塊50 W和2塊20 W半柔性太陽(yáng)能電池板并聯(lián)組成[4]，共140 W。

供電系統(tǒng)原理如圖2所示。電源部分由2塊鋰電池和4塊太陽(yáng)能電池板組成，當(dāng)1號(hào)鋰電池給無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)供電時(shí)，2號(hào)鋰電池接受太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能，當(dāng)正在給電機(jī)供電的鋰電池低于安全使用電壓14.8 V時(shí)，飛控發(fā)出信號(hào)給電子繼電器，電子繼電器讓動(dòng)力系統(tǒng)接通2號(hào)鋰電池并在30 s后斷開(kāi)1號(hào)鋰電池，1號(hào)鋰電池瞬間接通太陽(yáng)能電池板充電線路，太陽(yáng)能電池板給1號(hào)鋰電池充電。如此重復(fù)，直到兩節(jié)鋰電池電壓都低于14.8 V，操作人員選擇合適地點(diǎn)降落。

1.3 控制設(shè)計(jì)

無(wú)線電接收端是飛機(jī)接收操縱者發(fā)出的信號(hào)裝置，選用2.4G傳輸。該無(wú)人機(jī)采用F405 WING飛控，該飛控高度集成氣壓計(jì)、電壓電流計(jì)、陀螺儀、加速度計(jì)、（On Screen Display）模塊、降壓模塊等，具有體積小、重量輕、安全可靠的特點(diǎn)。

該無(wú)人機(jī)IMU（Inertial Measurement Unit，慣性傳感器）選用MPU6000，氣壓計(jì)選用BMP280，GPS選用NEO-M8N，OSD選用INAV OSD w。除此之外，還有電壓計(jì)、電流計(jì)、電子調(diào)速器、舵機(jī)、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、電子繼電器等。

電機(jī)是飛機(jī)的動(dòng)力來(lái)源，本設(shè)計(jì)選用無(wú)刷電機(jī)，根據(jù)飛機(jī)尺寸和推力需求，選擇了外轉(zhuǎn)子型號(hào)4820電機(jī)。該電機(jī)KV值650，適用電壓11～26 V，在電壓14.8 V時(shí)為13 616 r/min，適用43.3 cm槳，在電壓18 V時(shí)為16 560 r/min，適用46.6 cm槳[5]。無(wú)人機(jī)巡航大約需要50%油門(mén)，供電電壓在14～18 V，考慮到槳效等問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用46.6 cm槳。

運(yùn)動(dòng)相機(jī)是飛機(jī)的“眼睛”，選擇運(yùn)動(dòng)相機(jī)對(duì)目標(biāo)物或人進(jìn)行監(jiān)視觀察，另外，配置高清晰度的長(zhǎng)焦鏡頭。在圖傳發(fā)射端，無(wú)線圖傳選用TS353-400mW發(fā)射端，頻段為5.8 GHz，滿足一般飛行無(wú)線傳輸需要，在實(shí)際運(yùn)用中，還可以根據(jù)搜索距離更換更大功率的圖傳。

數(shù)傳采用無(wú)人機(jī)專業(yè)數(shù)傳，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)和調(diào)整無(wú)人機(jī)電子設(shè)備參數(shù)。

機(jī)腹帶有電子投放器，可飛至受困人員上方投放小型GPS定位儀，救援隊(duì)根據(jù)接收的GPS信號(hào)快速抵達(dá)救援地點(diǎn)。

除此以外，還有地面站部分，包括2.4 G遙控、5.8 G的圖形接收終端以及顯示屏。

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)頭部分如圖3所示。飛機(jī)前艙長(zhǎng)50 cm，寬15 cm，而機(jī)艙田上方的EPP板構(gòu)成。EPP板具有可彎折、易加工、受力形變可復(fù)原、堅(jiān)韌不易斷裂等優(yōu)點(diǎn)。前方成半圓形，防止降落受力集中于一點(diǎn)，造成損壞，同時(shí)減少風(fēng)阻[6]。

飛機(jī)前艙下底面采用兩層木板夾泡沫板的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。上木板為竹編板，韌性強(qiáng)，耐彎折，中間為泡沫板，吸收沖擊力，下木板為膠合板，硬度高，中間用泡沫膠黏合，下底板采用長(zhǎng)110 cm、寬15 cm、厚5 mm的復(fù)合木板。飛機(jī)正常著陸時(shí)，一般是減震泡沫先著地，起到快速停止的作用，減輕內(nèi)部電子設(shè)備所受的沖擊力，保護(hù)機(jī)頭，防止受力形變。木板上表面與左右兩機(jī)翼黏結(jié)處下表面膠合固定，且機(jī)翼下表面嵌入4根碳纖維管加固，碳纖維管通過(guò)工程塑料管夾直接固定在下木板上。重要電子設(shè)備如飛控、圖傳設(shè)備以及大部分傳感器都位于機(jī)腹部上方，兩機(jī)翼梁附近，受到重重保護(hù)，受到的沖擊力很小。機(jī)尾部電機(jī)直接固定于復(fù)合板上，與機(jī)體連接更牢固。機(jī)頭正前方有邊長(zhǎng)為1.5 cm的正方形孔洞，內(nèi)嵌圓形鏡頭運(yùn)動(dòng)相機(jī)，鏡頭視角140°，2.8 mm鏡頭分辨率700 TVL，可以滿足飛行需求。如果要求對(duì)目標(biāo)進(jìn)行更細(xì)致的觀察監(jiān)視，還需要配置長(zhǎng)焦高清晰度鏡頭。機(jī)艙外另有網(wǎng)格狀纖維膠帶固定，提高了機(jī)械強(qiáng)度。

機(jī)后艙在飛機(jī)中后部，也在飛機(jī)重心后，這部分機(jī)艙便于和無(wú)人機(jī)電機(jī)線、延長(zhǎng)線相連，方便以后無(wú)人機(jī)電機(jī)的替換，同時(shí)選擇性搭載鐵塊，起著配平無(wú)人機(jī)重心的作用。機(jī)后艙安全性最高，因此可裝載重要的電子設(shè)備。

飛機(jī)前艙為主機(jī)艙，擁有7 500 cm3 的容量，可搭載大部分常用設(shè)備，機(jī)后艙具有1 000 cm3的容量，為副機(jī)艙，可選擇性搭載貴重設(shè)備和配重。

該無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)初衷為實(shí)現(xiàn)低速穩(wěn)定、易操控。由于機(jī)翼還要搭載太陽(yáng)能電池板，因此機(jī)翼面積要大、重量要輕、功耗要小、效率要高。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，這里選用前緣帶有后掠角的梯形翼形，以減少飛行阻力。機(jī)翼的橫截面輪廓（翼型）選用平凸翼型。該翼型上翼面平緩，性能優(yōu)異，可以大面積搭載太陽(yáng)能電池板，飛行平穩(wěn)。機(jī)翼翼根弦長(zhǎng)65 cm，翼肋如圖5所示，翼尖弦長(zhǎng)58 cm，翼肋如圖6所示，前緣后掠角22.5°，翼展長(zhǎng)170 cm，面積10 540 cm2（不含副翼），重心距頂點(diǎn)24.51 cm。副翼為近似平行四邊形，考慮到飛機(jī)的使用途徑，選擇中等面積的副翼，約為機(jī)翼的8%，面積為830 cm2。為保證在一定靈活性的情況下使操縱更簡(jiǎn)單，副翼可通過(guò)舵角、拉桿與舵機(jī)相連，將左右兩半機(jī)翼拼接成為完整機(jī)翼。考慮到側(cè)風(fēng)天氣時(shí)的穩(wěn)定性的問(wèn)題，該無(wú)人機(jī)機(jī)翼裝有3°的上反角，在飛行出現(xiàn)側(cè)滑時(shí)，使飛機(jī)產(chǎn)生反向側(cè)滑力，以迅速修正側(cè)滑。翼尖的翼梢小翼可以保持飛機(jī)航行平衡，保證轉(zhuǎn)彎在無(wú)側(cè)滑狀態(tài)下進(jìn)行，在有側(cè)風(fēng)著陸時(shí)保持機(jī)頭的方向。

2 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)計(jì)算：一般巡航高度為100 m，速度為11 m/s，機(jī)翼弦長(zhǎng)0.65 m，運(yùn)動(dòng)黏度為14.8×10-6 m2/s，根據(jù)公式（1）計(jì)算雷諾系數(shù)：

光伏供電系統(tǒng)共有4塊半柔性太陽(yáng)能電池板并聯(lián)，每塊電壓均為18 V。根據(jù)太陽(yáng)能電池板參數(shù)可得穩(wěn)定輸出電流為：[IP=2.27 A×2+1.11 A×2=7.76 A]。考慮到生產(chǎn)工藝、實(shí)際天氣、電池虛標(biāo)等問(wèn)題，經(jīng)測(cè)試，白天正常功率應(yīng)為計(jì)算功率的68%～80%，即95～112 W，這里以最低95 W計(jì)算。

根據(jù)前面無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)要求，采用UG建模得出其三維模型，如圖7所示，并將模型導(dǎo)入ANSYS，分析其設(shè)計(jì)合理性及該無(wú)人機(jī)各項(xiàng)參數(shù)。

以裝載兩塊5 000 mA·h鋰電池共10 000 mA·h容量的無(wú)人機(jī)為例，無(wú)人機(jī)的巡航速度為40 km/h，額外搭載1 kg電子設(shè)備，無(wú)人機(jī)總質(zhì)量[M]=5.2 kg，雷諾數(shù)[Re]=483 108，機(jī)翼面積[S]=1.054 m2，迎角為1°時(shí)，飛機(jī)升力系數(shù)[CL=0.72]，飛機(jī)阻力系數(shù)[CD=0.1]。

本產(chǎn)品在現(xiàn)有無(wú)人機(jī)研發(fā)的基礎(chǔ)上，放棄常規(guī)固定翼布局，采用更高飛行效率的飛翼布局，在同體積下提高30%～50%載重能力。該無(wú)人機(jī)擁有更好的氣動(dòng)特性，采用后掠翼，減小風(fēng)阻，提高巡航速度，選用兩種翼型組成混合翼，提高2°的失速臨界迎角。與普通機(jī)翼相比，該特制機(jī)翼上表面可搭載更多半柔性單晶太陽(yáng)能電池板，達(dá)到機(jī)翼面積的69%。太陽(yáng)能電池板給兩個(gè)鋰電池輪流充電，鋰電池再輪流為無(wú)人機(jī)供電，這兩個(gè)過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，減小了天氣對(duì)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的制約，是市面無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間的2～3倍，同時(shí)還增加了1.2倍巡航半徑，能夠更持久、更高效地對(duì)失蹤人員進(jìn)行搜救。機(jī)翼與機(jī)身直接融合，內(nèi)部有8根高強(qiáng)度碳纖維桿框架，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，在無(wú)動(dòng)力狀態(tài)下能夠較平穩(wěn)地滑行和降落。飛機(jī)機(jī)腹下有電子投放器，當(dāng)搜索到目標(biāo)后，操作人員通過(guò)遙控器立刻投放GPS到目標(biāo)地點(diǎn)，供搜救隊(duì)快速搜救。在人力有限的情況下，利用本產(chǎn)品可以組成更多搜救隊(duì)去搜救受困傷員，同時(shí)減少了搜救成本，因此具有較好的商用推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]王鵬，王子玖，蔣金陽(yáng)，等.用于農(nóng)林偵察的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（7）：8-12.

[2]包文豪，戴袁杰.基于太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)[J].電力電子，2020（8）：86.

[3]徐建國(guó).小型固定翼太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)能源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2019：47-53.

[4]朱立宏，孫國(guó)瑞，呼文韜，等.太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)能源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)[J].航空學(xué)報(bào)，2020（3）：85-96.

[5]薛昕惟，黃彥淳，王祎，等.固定翼航模智能飛行控制系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2020（5）：111-115.

[6]張旺旺，張利國(guó)，楊康，等.不同翼型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)特性分析[J].機(jī)械制造，2019（11）：39-42.