一種可折疊的物流配送飛行汽車(chē)的設(shè)計(jì)、控制和驗(yàn)證＊

曹沐凡，王志偉，林錦路，沈思明，高堅(jiān)

（中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江杭州 310002）

本項(xiàng)目核心任務(wù)在于實(shí)現(xiàn)飛行裝置的折疊以節(jié)省空間以及使其具有識(shí)別路況、規(guī)劃路線的功能。

1 飛行汽車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目主要目的為制作一臺(tái)可折疊的飛行汽車(chē)功能驗(yàn)證機(jī)，因此尺寸不宜過(guò)大。依據(jù)研究條件選擇四旋翼構(gòu)型滿(mǎn)足飛行功能，整體結(jié)構(gòu)布局為下方為車(chē)輛部分，上方為四旋翼飛行器部分，二者剛性連接。電機(jī)對(duì)角軸距暫定為800 mm，槳葉尺寸為12 寸（折合304.8 mm），車(chē)身寬度最大為800/－304.8=260.89 mm，冗余取為250 mm。考慮到車(chē)身承載容量，取車(chē)長(zhǎng)為500 mm，車(chē)輪可選軸距為330 mm、270 mm、210 mm，可根據(jù)車(chē)輪電機(jī)安裝孔位調(diào)整。12 寸螺旋槳配合700 kV 無(wú)刷電機(jī)，使用6S 鋰聚合物電池，供電動(dòng)力約為3 000 g，整機(jī)動(dòng)力約12 kg，按照四旋翼飛行器經(jīng)濟(jì)動(dòng)力配比，整機(jī)質(zhì)量應(yīng)約為33.3%的動(dòng)力（即滿(mǎn)足懸停姿態(tài)），因此整機(jī)質(zhì)量（含電池和設(shè)計(jì)冗余運(yùn)載）控制在4 kg 以下。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)具體為其旋翼機(jī)臂折疊機(jī)構(gòu)，要求折疊后使整機(jī)外觀尺寸較小，貼近其車(chē)體尺寸，提高地面通過(guò)性。折疊后整機(jī)長(zhǎng)寬控制在600 mm×400 mm 以?xún)?nèi)（含螺旋槳），比較符合車(chē)輛尺寸。

機(jī)臂折疊方案有以下兩種。

方案一為機(jī)臂連接處使用折疊管座。圖1 為現(xiàn)在多軸無(wú)人機(jī)常用的折疊管座，該方案優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，缺點(diǎn)是車(chē)體不滿(mǎn)足豎直折疊，且水平折疊不符合管座設(shè)計(jì)受力方向；展開(kāi)較麻煩，需手動(dòng)依次展開(kāi)，難以進(jìn)行自動(dòng)化改裝。

圖1 折疊管座示例

方案二為機(jī)臂使用整體機(jī)械折疊機(jī)構(gòu)。該方案目的在于解決方案1 中的折疊問(wèn)題。機(jī)臂只能水平折疊，使所有機(jī)臂共面，便于設(shè)計(jì)平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，可靠性高）。圖2 為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案簡(jiǎn)圖。綜上，選擇方案二作為折疊方案。機(jī)構(gòu)中央滑動(dòng)副使用導(dǎo)軌滑塊，機(jī)臂滑動(dòng)副使用滑動(dòng)直線軸承套于碳纖維圓柱機(jī)臂上，滑動(dòng)直線軸承通過(guò)附加零件連接其上的附加轉(zhuǎn)動(dòng)副，其余轉(zhuǎn)點(diǎn)均使用立式軸承座實(shí)現(xiàn)。

圖2 等比例折疊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

1.3 機(jī)臂力學(xué)分析

機(jī)臂包含運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，而且直接將電機(jī)的動(dòng)力傳導(dǎo)給機(jī)架，此處受力應(yīng)當(dāng)著重分析。結(jié)合圖2 分析，前后機(jī)臂簡(jiǎn)化力學(xué)模型如圖3 所示。

圖3 機(jī)臂力學(xué)模型示意圖

分析過(guò)程較為簡(jiǎn)單，步驟略。結(jié)果顯示前機(jī)臂靠外側(cè)軸承轉(zhuǎn)點(diǎn)承受軸向力最大。對(duì)軸承D 進(jìn)行靜強(qiáng)度校核，軸承D只受到軸向力Fa=126.96 N，需折算為當(dāng)量靜載荷P0=Y0Fa，查表取Y0=0.5，取靜強(qiáng)度安全系數(shù)S0=1.5，計(jì)算得S0P0=95.22 N，查詢(xún)軸承手冊(cè)，C0=1 370 N，強(qiáng)度校核滿(mǎn)足條件。

2 飛行汽車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用PID 閉環(huán)控制算法對(duì)飛行器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)控制，算法流程如圖4 所示。

圖4 飛行控制算法流程圖

自動(dòng)飛行使用目前無(wú)人機(jī)常用的Mission Planner 地面站搭配相關(guān)硬件實(shí)現(xiàn)按照規(guī)劃航線自動(dòng)飛行。地面站基礎(chǔ)操作界面如圖5 所示。

圖5 地面站操作界面圖

2.2 運(yùn)輸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖6 運(yùn)輸算法流程圖

3 實(shí)物圖與硬件選型

3.1 總體實(shí)物圖

整機(jī)折疊狀態(tài)實(shí)物和機(jī)臂折疊狀態(tài)部分實(shí)物分別如圖7和圖8 所示。

圖7 整機(jī)折疊狀態(tài)實(shí)物圖

圖8 機(jī)臂折疊狀態(tài)部分實(shí)物圖

3.2 硬件選型

螺旋槳：朗宇EOLO CN1555 碳纖復(fù)合材料多旋翼無(wú)人機(jī)正反螺旋槳。

飛行電機(jī)：T-motor MN3508 多旋翼盤(pán)式無(wú)刷電機(jī)。

電子調(diào)速器：T-motor AIR40A。

鋰電池：格氏ACE 3300mAh 3S 11.1V 25C 鋰聚合物電池。

4 飛行汽車(chē)設(shè)計(jì)功能驗(yàn)證

無(wú)人機(jī)進(jìn)行外場(chǎng)飛行測(cè)試中，整機(jī)（含電池）攜帶1.5 kg額外負(fù)載總重4 901.4 g，起飛時(shí)油門(mén)位于最大油門(mén)的1/3 處左右。手動(dòng)飛行未加裝GPS 時(shí)，使用陀螺儀懸停，漂移速度在0.1 m/s 左右。

外場(chǎng)飛行測(cè)試和外場(chǎng)尋線行駛測(cè)試分別如圖9 和圖10所示。

圖9 外場(chǎng)飛行測(cè)試

圖10 外場(chǎng)尋線行駛測(cè)試

由于整機(jī)重心位于動(dòng)力中心下方，飛行穩(wěn)定特性為靜穩(wěn)定型，可減小飛控負(fù)載。加裝GPS 和RTK 差分定位模塊后，懸停由于存在位置閉環(huán)反饋修正，懸停精度可達(dá)到2 cm 級(jí)別。攜帶1 kg 額外負(fù)載，按照設(shè)定航線飛行時(shí)，在保證航點(diǎn)準(zhǔn)確度的前提下最高速度可達(dá)13.5 m/s。按設(shè)計(jì)巡航速度（9 m/s）飛行，續(xù)航時(shí)間可達(dá)12 min。

地面模式下，進(jìn)行了67 次100 m 巡線測(cè)試。地面最大行程為7.5 km，路線丟失率為1.67%，丟失路線的原因主要是環(huán)境光照較強(qiáng)，導(dǎo)致尋跡傳感器感受的灰度信息對(duì)比度低于傳感器死區(qū)閾值，需通過(guò)更換靈敏度更高的傳感器或者加裝浮動(dòng)遮光罩（適應(yīng)路況）來(lái)解決。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種可折疊的小型旋翼型無(wú)人飛行汽車(chē)由于可以行駛，能量利用率大大提高，在智能判斷路況滿(mǎn)足行駛條件時(shí)無(wú)需花費(fèi)額外的能量懸停，有利于提高無(wú)人物流配送的效率。