一種長航時航拍多旋翼無人機總體方案的設計

麥智鵬，曹懌男，洪郭彬，黃 榮

（廈門大學嘉庚學院，福建 廈門 363105）

1 航拍無人機簡介

無人機是指通過無線電遙控設備或機載計算機程控系統進行操控的人工遙控或程序自主控制的飛機統稱，因其獨特的視角、便攜性優勢以及到達性優勢在新聞傳播領域循序普及，為受眾帶來了全新的視覺信息和視覺效果[1]。

在我國各領域信息化建設均飛速發展的形勢下，數字城市、數字國土等數字化建設已取得一定的成果。制約動態監測的首要因素是能否具備實用化的，高分辨率，連續穩定并能快速接收使用的監測數據源。未來航拍無人機有很大市場前景。

航拍無人機是民用消費級無人機中非常流行的應用領域。在“互聯網+”的熱潮中，通過搭載高清攝像頭，小型無人機可以在高空拍攝和錄制影視素材，包括極限運動航拍作品、風景航拍作品以及商業宣傳片等，無人機航拍在社區視頻平臺中愈加受歡迎。

航拍能反映一個地區、一個區域的全貌，它在很多領域都具有廣闊的市場需求。航拍技術廣泛應用于軍事、交通建設等方面。

2 總體設計

2.1 性能要求

目前本實驗小組使用的飛行實驗平臺為DJI“悟Inspire 2”，該機型為大疆創新公司行業級產品。其最大起飛質量4.25 kg，有效載荷為0.81 kg，續航時間23 min。雖然其總體性能在四旋翼航拍無人機中領先，但其續航能力是其最大致命點，見表1。

表1 “悟Ins pire 2”四旋翼無人機技術數據

因此，基于實驗室對DJI主流四旋翼無人機的組裝和裝載情況飛出的基本數據，提出下列設計指標，見表2。

表2 設計指標

2.2 提出方案

結合研究的基本要求和以上的性能指標，提出以下改進方案：為了提高續航能力，將大幅度減小機身質量，采用碳纖維材質打造機身；為了提高飛行時間，采用大容量鋰電池為無刷電機供電；為了提高無人機升力，采用1655大型號螺旋槳；為減小無人機運輸體積，采用可折疊式懸臂，實現懸臂90°折疊機身，壓縮無人機運輸體積；為增強無人機一體性，減少起落架及懸臂拆裝，采用機械臂一體設計，使得起落架收放可以通過懸臂折疊一體式收放。同時，放下懸臂時可以將起落架90°垂直地面，收回時可與懸臂平行，減少無人機運輸橫向體積；設計無人機外殼，為電路提供外界環境保護。

綜上所述，本文將對長航時，便攜式一體多旋翼航拍無人機進行總體設計，方案草圖如圖1所示。

2.3 基本飛行任務剖面

飛行任務剖面，為完成某一特定飛行任務而繪制的飛機航跡圖形，無人機設計參數的重要依據，也是表達航拍時，無人機所要經歷的任務階段，圖2為基本任務剖面圖，在垂直起飛階段通過無刷電機帶動螺旋槳轉動，進行爬升，在懸停階段，可進行多方位的航拍，最后垂直下降階段，電機速度減緩，無人機緩慢下降。

2.4 總體布局

由以上提出的方案對飛機總體布局進行設計，飛機采用方形布局形式，該布局重心處于機身平衡點，符合靜穩定特性，如圖3所示。當四個旋翼的轉速相等的時候它們對機體的合扭矩作用為零，通過控制每個旋翼的旋轉速度從而改變升力，使旋翼旋轉產生的升力等于無人機自身的重力，此時無人機處于懸停狀態[2]。最終確定出本架多旋翼無人機的總體布局方案：四懸臂各種相同長度，互相垂直，間隔90°。能源系統、飛行控制系統、位于機身內部。

2.5 基本參數的確定

機身軸距為兩個電機軸之間的距離，整體直徑為兩個電機軸之間距離加上螺旋槳長度，整體高度確定由裝載云臺相機的大小確定，負載通過升力及重力確定，具體數值如表3所示。

表3 機體參數

2.5.1 主體設計

1）無人機的主體為機身外殼、電池、飛控組成的機身部分，機身均勻分配質量，使得重心保持八邊形機身中心位置，維持飛行平穩[4]。同時設置機身外殼，保護在潮濕天氣下內部飛控系統、電路正常運行，飛控主控與飛控PMU放在無人機上板上，GPS與電池放在無人機下板上，充分利用機身內部空間，如下頁圖4～圖7所示。

2）關于懸臂設計，為解決飛機運輸體積過大，攜帶不便的問題，采用機械軸臂式設計。當無人機在運輸過程中，懸臂伸出過長，導致體積過大。團隊采用連桿機構，使得軸臂可以實現90°順時針旋轉，最終垂直于機身，有效減少了橫向長度。

3）機身周部均勻設置有與槳葉及起落架機構數量相當的轉軸安裝座，所述旋轉臂內側端插置于轉軸安裝座上，并通過旋轉軸使旋轉臂內側端與轉軸安裝座轉動連接，以使旋轉臂相對機身展開和收合，減小無人機運輸體積，如下頁圖6起落架收起圖所示。

4）在飛行時，為了防止飛機旋轉式的懸臂設計的關節活動性，在懸臂與機身連接處設計卡扣，當懸臂旋轉至于機身平行之時，卡扣凸起，將懸臂鎖死，始終在飛行狀態下讓懸臂與機身保持水平，且不產生任何角度，不影響飛行狀態[5]。

5）在電路設計方面，在懸臂處設計了線孔，方便懸臂繞線，機身八個空位伸出電線。

2.5.2 起落架形式及相關參數

在起落架設計方面，為了減少拆裝，增強無人機“傻瓜性”、便捷性，采用一體式結構設計，起落架無需拆裝，可以與懸臂一同收放。采用工業機械臂的設計方案，當懸臂收回時，起落架隨著連桿機構，一同與懸臂收回垂直于機身，如下頁圖8所示。當懸臂與機身水平用于飛行任務時，起落架也將與機身及地面保持90°應對降落運動。

同時，起落架是讓飛機在地面停放使用的，為了能夠吸收與地面沖擊能量，保證飛機降落安全。團隊將起落架進行了弧度設計，采用ABS 3D打印材料。該材料具有一定彈性，可發生彈性形變，增強了受力時間，有效減少飛機降落與地面接觸而帶來的沖量，從而減少沖擊力，減少沖擊對機體損傷。起落架與懸臂靈活連接，連接處為快拆設計，并且根據不同的任務需求可搭配不同的支撐桿。

2.6 配件的選擇

2.6.1 無刷電機

采用5008無刷電機型號為TYI-5008 335 kV，工作電壓24 V，單個最大拉力為2 830 g，見表4。

表4 無刷電機性能

螺旋槳的選擇遵循發動機和多旋翼給出的數據合理匹配，四個螺旋槳采用1655型號，可折疊式螺旋槳。50%油門功耗100.8 W，單個5008電機為162 g，可以提供1 222 g的拉力。

專業級無人機至少需要4～6個無刷電機來驅動無人機的轉子，通過電機驅動控制器來控制無人機的速度和方向。多旋翼的電機最大拉力總和不應低于無人機總重的1.5倍。所以，當搭載Zenmuse X7云臺時，（4×1 222）÷2 759=1.77＞1.5，且電流遠小于電池釋放的最大電流，功耗比較小，滿足上述條件，選型合適。

2.6.2 電池

電池將采用大容量鋰電池為無刷電機提供電能，電池圖片和電池參數見表5。

表5 電池性能指標

電池續航方面計算：

50%油門消耗，平均每個無刷電機消耗4.2 A×50%=2.1 A，四個無刷電機消耗2.1×4=8.4 A。

當風速一定時，爬升過程中遇到大風需要協調，油門消耗可達70%。單個無刷電機消耗電流：4.2 A×70%=2.94 A；四個無刷電機消耗電流：2.94 A×4=11.76 A；大容量鋰電池每小時釋放：1.5 Ah×60且存在一定時間懸停狀態，所以續航時間約為80 min。

2.7 生產制造工藝和材料的確定

需要進行加工的主要為主體結構和外殼，其他部件、標準件可以通過打印件連接。

由碳纖維板和銅柱組成，碳纖維板采用CNC/雕刻機，對碳板進行切割加工。外殼：采用3D打印，材料為光敏樹脂或者PLA、ABS。

3 有限元分析

使用ANSYS軟件進行仿真分析，檢驗起落架結構的強度、剛度和運動過程結構的變化，避免在降落過程中，造成起落架的損壞。

根據下頁圖8總變形圖可以看出機體在飛行狀態下最大變形出現在起落架底部，最大形變量為0.000 106 3 m，最大形變量處于材料的運行的范圍內，符合其要求。下頁圖9應力云圖可以看出機體的最大值位于軸臂連接處，其大小為4.249 1×107Pa，明顯低于對應材料ABS的許用應力值24.5 MPa。

根據圖10總變形圖可以看出機體在靜態狀態下最大變形出現在機架上，最大形變量為0.000 302 1 m，最大形變量處于材料的運行范圍內，符合其要求。根據圖11應力云圖可以看出機體的最大值位于軸臂連接處，其大小為1.219 7×107Pa，明顯低于對應材料ABS的許用應力值24.5 MPa。

4 結論

本課題對主流多旋翼無人機進行改進，一是采用碳纖維材質打造機身，替代鎂鋁合金機身設計；二是使用電池容量為15 Ah迪普威DC-241500型號電池；三是采用機械軸臂式設計，采用連桿機構保證機械軸垂直于機身；在結構處設計了卡扣，將懸臂鎖死，保證機械臂與機身水平，不產生飛行角度；機械臂上留有線孔，可用于電機的電線繞線。對主流多旋翼無人機全方面的升級后，一是其機體整體質量減輕，續航能力顯著增強，續航時間從27 min延長到80 min；二是連桿機構使得軸臂可以實現90°順時針旋轉，最終垂直于機身，減少了橫向長度，解決了無人機攜帶不便的問題。