劉輝++陳立業(yè)++鄒馨毅++馬思遠(yuǎn)

摘 要針對如今市面上航拍器飛行速度慢，不能很快達(dá)到指定地點(diǎn)，當(dāng)搭載較大攝影設(shè)備時，需要體積大，價格昂貴的多軸飛行器的現(xiàn)狀。本文設(shè)計一款以載重量高，速度較快可垂直起降為特點(diǎn)的四軸與固定翼為一體的無人機(jī)。著重研究垂直轉(zhuǎn)平飛狀態(tài)及飛機(jī)的空氣動力設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】混合翼無人機(jī) 氣動布局 設(shè)計 飛控

1 引言

本文所設(shè)計的混合翼無人機(jī)中提及的混合翼體現(xiàn)在飛機(jī)起降階段，采用四旋翼的垂直起降方式，通過控制四個涵道電機(jī)的輸出功率來控制飛機(jī)起降的平衡；平飛階段，則是同固定翼一樣通過控制舵機(jī)來改變飛機(jī)的翼面來控制飛機(jī)的飛行姿態(tài)，此時涵道只是用做動力輸出。所以本飛機(jī)設(shè)計的第一性能特點(diǎn)在于當(dāng)飛機(jī)滿載時依然具有較好的操作性和自行穩(wěn)定性。用于投放救災(zāi)藥品、救生設(shè)備以及拍攝具有非?？煽康男阅?，飛機(jī)空機(jī)重量輕，飛機(jī)體格大，其突然優(yōu)點(diǎn)是不用考慮環(huán)境隨意降落。

2 硬件部分

2.1 總體布局

本文所設(shè)計的無人機(jī)，飛機(jī)翼展2.2米，空重3Kg，使用4臺涵道機(jī)，額定轉(zhuǎn)速42000r/min。飛行速度45km/h，最小轉(zhuǎn)彎半徑40米，最大爬升角度40°，高強(qiáng)的機(jī)動性和載重能力主要面向山區(qū)、城市等飛行環(huán)境密集狀況下的短途貨物運(yùn)輸和拍攝工作。

飛機(jī)主體結(jié)構(gòu)采用優(yōu)質(zhì)的航空層板和巴爾沙輕木制作，采用熱縮膜作為蒙皮，主要承力結(jié)構(gòu)使用碳纖維復(fù)合材料和鋁合金相配合，具有空機(jī)結(jié)構(gòu)重量輕，制造成本低，加工工藝簡單的特點(diǎn)。

垂尾選擇使用雙尾梁結(jié)構(gòu)，一般來說，更大的機(jī)身和更大的翼展通常意味著更大的航程。更大的機(jī)身，機(jī)身結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)、機(jī)載設(shè)備所占用的空間和重量比例小，負(fù)載空間更大，設(shè)計上電池位置也更容易配平。更大的翼展有更好的展弦比，升阻比提升，節(jié)約能量。圖1是整個設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計框圖。

2.2 機(jī)翼平面設(shè)計

本機(jī)型設(shè)計巡航速度為45Km/h，屬于慢速無人機(jī)，在做氣動設(shè)計時無需考慮空氣壓縮性及激波阻力的影響，1/4弦線后掠角設(shè)為0°，通常大展現(xiàn)比機(jī)翼的誘導(dǎo)阻力會更小，機(jī)翼的三維效應(yīng)較小，會有更高的升阻特性，通常梢根比0.45時最接近橢圓形環(huán)量分布。根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗及常用航模制作材料情況綜合考慮，初步將本機(jī)翼翼根弦長設(shè)為0.3米，翼梢弦長0.25米，翼展2.2米，作為后續(xù)詳細(xì)氣動設(shè)計的參考性進(jìn)行計算。

2.3 動力系統(tǒng)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降以及提高平飛時的機(jī)動性能，我們采用涵道電機(jī)作為飛機(jī)的動力輸出，將四個涵道電機(jī)置于左右機(jī)翼前后構(gòu)成X型，起降階段，四個涵道類似于四旋翼無人機(jī)的四個螺旋槳，由飛控控制其輸出功率使飛機(jī)平穩(wěn)起飛；平飛階段由舵機(jī)連接涵道，實(shí)現(xiàn)涵道的90度旋轉(zhuǎn)，此時飛機(jī)結(jié)構(gòu)變成普通的固定翼進(jìn)行控制。

2.4 涵道旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖所示，經(jīng)過車床加工的鋁合金件1一端通過螺絲與連接片固定在尾梁上，另一端與涵道相連接，起到懸掛電機(jī)的功能。鋁合金件2固定在涵道發(fā)動機(jī)上，通過碳纖維桿與固定在機(jī)身上的舵機(jī)相連接。起飛時，四個涵道發(fā)動機(jī)均與地面成垂直狀態(tài)，提供飛機(jī)離地所需升力。當(dāng)飛機(jī)達(dá)到預(yù)定高度后，通過舵機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動涵道發(fā)動機(jī)沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)90°，使飛機(jī)平飛。

3 軟件部分

飛行控制器的設(shè)計是基于ST公司生產(chǎn)的STM32F103C8T6芯片，應(yīng)用專門設(shè)計的ARMCortexM-3內(nèi)核，擁有豐富的片上資源，相比市面上的成品飛控，可大大降低系統(tǒng)的開發(fā)成本，節(jié)約資源。此款飛控的開發(fā)是在Keil平臺下完成的，主要完成硬件平臺初始化、飛行姿態(tài)解算、遙控信號解碼、電機(jī)以及舵機(jī)控制、飛行模式轉(zhuǎn)換等工作，圖2是整個飛控的控制流程圖。

3.1 姿態(tài)解算

飛行姿態(tài)解算方面，采用MPU6050官方的基于MSP430的DMP庫，將它移植到STM32平臺下，可直接輸出四元數(shù)，在通過轉(zhuǎn)算得到歐拉角，即獲得飛機(jī)此時的姿態(tài)；

3.2 遙控信號解碼

遙控信號解碼方面，此款飛控采用的是天地飛9通道遙控器，通過stm32的定時器輸入捕獲功能捕獲遙控器接收機(jī)輸出的不同占空比的PWM信號來讀取各通道的控制量。

3.3 電機(jī)控制

電機(jī)的控制方面，通過遙控信號獲取期望的控制值與解算出的當(dāng)前的姿態(tài)做對比來控制電機(jī)的輸出量，采用的角度和角速度的雙閉環(huán)PID算法，角度的誤差被作為期望輸入到角速度控制器中 （角度的微分就是角速度），采用雙環(huán)PID能改善機(jī)身飛行過程中的自旋問題并有效的提高飛行系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 總結(jié)

在機(jī)身結(jié)構(gòu)足夠強(qiáng)的情況下，同過遙控進(jìn)行飛行模式的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的平穩(wěn)的垂直起降，以及在平飛階段具有明顯的高機(jī)動性能。此款飛機(jī)的實(shí)際尺寸與重量超過了起初設(shè)計的參數(shù)，但是四個涵道的推力仍能夠滿足動力需求，只是電力消耗上會稍微有些大，是飛機(jī)的續(xù)航能力不是很好，后續(xù)希望可以通過改進(jìn)機(jī)身結(jié)構(gòu)和優(yōu)化供電方案來提升飛機(jī)的續(xù)航能力。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

中國民航大學(xué) 天津市 300300