宋煜

摘 要：近些年來垂直起降飛行器因?qū)ζ鸾祱龅匾蟮投艿綇V泛關(guān)注。結(jié)合旋翼飛行器和固定翼飛行器的優(yōu)點(diǎn)，提出一種復(fù)合式雙旋翼微型飛行器的設(shè)計(jì)方案。該飛行器既具有垂直起降和懸停性能，又具有較快的飛行速度，具有轉(zhuǎn)換過渡穩(wěn)定平滑，可控性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。通過試制原理驗(yàn)證機(jī)，并對各飛行狀態(tài)及轉(zhuǎn)換過渡飛行進(jìn)行飛行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方案的可行性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：微型飛行器；旋翼；固定翼；垂直起降飛行器；復(fù)合式飛行器

中圖分類號：V279+.2；V275+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）05-0054-02

由于固定翼飛行器和旋翼飛行器具有互補(bǔ)的優(yōu)缺點(diǎn)，人們希望能融合這兩種飛行器的優(yōu)點(diǎn)，從而發(fā)展出了垂直起降（VTOL）飛行器這種新型航空器，能夠同時(shí)兼有旋翼飛行器的垂直起降能力和固定翼飛行器的高速平飛能力[1]。其中復(fù)合式飛行器、傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器和旋轉(zhuǎn)機(jī)翼飛行器是垂直起降飛行器中的典型代表，近年來獲得了很多突破性進(jìn)展[2]。但傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器和旋轉(zhuǎn)機(jī)翼飛行器都有成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差等問題，尤其是動力轉(zhuǎn)換問題和過段價(jià)段的穩(wěn)定性問題是制約它們進(jìn)一步發(fā)展的難題[3]。相對來說，復(fù)合式飛行器盡管飛行速度不如傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器和旋轉(zhuǎn)機(jī)翼飛行器，但成本比較低，結(jié)構(gòu)相對簡單，可靠性更好，因而被廣泛研究。根據(jù)國外數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在垂直起降飛行器中，復(fù)合式飛行器的類型最多，占50%以上。

對無人飛行器來說，成本和技術(shù)復(fù)雜性無疑是對其最大的阻礙，因而可垂直起降的高速無人飛行器主要是復(fù)合式無人飛行器，通常是在固定翼飛行器平臺上附加安裝提供垂直升力的旋翼系統(tǒng)。

本文綜合旋翼飛行器和固定翼飛行器的優(yōu)點(diǎn)，以垂直起降能力為目標(biāo)，同時(shí)兼有較高的平飛速度，提出一種復(fù)合式雙旋翼微型飛行器。與一般的旋翼固定翼復(fù)合式飛行器方案不同，本方案中動力完全由旋翼提供，固定翼飛行器平臺不提供動力，平飛時(shí)的前進(jìn)動力由旋翼傾斜所產(chǎn)生的分力提供。本文提出的方案具有成本低，技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性好，可控性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 總體方案概述

本文提出的復(fù)合式雙旋翼微型飛行器布局方案為固定翼和旋翼復(fù)合構(gòu)型，其中固定翼選用中單翼布局，旋翼選用橫列式共軸雙旋翼布局。機(jī)體中部布置固定式機(jī)翼，并在左右機(jī)翼上各布置一個(gè)剛性共軸雙旋翼，機(jī)身尾部布置尾翼。

機(jī)翼是平飛模式下產(chǎn)生升力的主要部件，同時(shí)為旋翼提供結(jié)構(gòu)支撐。在機(jī)翼的布局上，使重心盡量布置在機(jī)體坐標(biāo)系的中心線X軸上，并且機(jī)翼的弦平面通過重心，所以選擇了中單翼的布局。在氣動方面，總體設(shè)計(jì)原則是根據(jù)總體參數(shù)選定的翼載荷、翼面積等參數(shù)，結(jié)合平飛模式下的性能要求和垂直起降模式下旋翼的干擾情況，來選擇翼型和設(shè)計(jì)展弦比、后掠角等。

尾翼設(shè)計(jì)時(shí)的主要考量是：在垂直起降模式下，尾翼的作用較小；在平飛模式下，尾翼作用原理與常規(guī)固定翼飛機(jī)相同，即保證飛機(jī)的安定性和操縱性，故主要根據(jù)平飛模式的飛行需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用水平尾加雙垂尾常規(guī)布局以提供可操縱性。

與一般的旋翼固定翼復(fù)合式飛行器方案不同，本文方案中動力完全由旋翼提供，固定翼飛行器平臺不提供推力發(fā)動機(jī)。在垂直起降飛行時(shí)，旋翼提供升力。在巡航飛行時(shí)，旋翼槳盤傾斜，其拉力的部分分力作為升力，和機(jī)翼產(chǎn)生的升力一起平衡飛行器重力。

兩副剛性共軸旋翼分別安裝在機(jī)翼的翼端，旋翼軸的扭矩通過萬向節(jié)傳遞給旋翼，同時(shí)可設(shè)計(jì)相關(guān)裝置來控制萬向節(jié)以改變旋翼槳盤平面的傾角。每個(gè)旋翼機(jī)構(gòu)都為單發(fā)共軸同步對稱反轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，采用一部電機(jī)為雙槳提供動力。上下旋翼反向旋轉(zhuǎn)，可使上下旋翼產(chǎn)生的滾轉(zhuǎn)及偏航干擾力矩基本上相互抵消。同時(shí)左右旋翼的轉(zhuǎn)向也是相反的，它們之間也可以相互抵消反扭矩，從而提高了飛行的穩(wěn)定性和可靠性。

兩個(gè)電機(jī)在機(jī)翼的兩端對稱安裝，由電機(jī)控制旋翼轉(zhuǎn)速，改變旋翼轉(zhuǎn)速從而改變飛行器升力。通過兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差動控制就可以控制飛行時(shí)的滾轉(zhuǎn)力矩，使飛行器形成不同的飛行姿態(tài)。電機(jī)可以直接驅(qū)動，此驅(qū)動系統(tǒng)無需復(fù)雜的傳動裝置，有利于穩(wěn)定航行和產(chǎn)品小型化。

獨(dú)立尾槳位于水平尾翼中間位置，用以平衡左右旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的微小偏航力矩，同時(shí)也可為飛行器主動偏航提供力矩。因此垂尾可取消舵面，僅作為提高航向穩(wěn)定性作用，采用位于尾翼兩端的雙垂尾方式。

綜上所訴，本方案如下幾個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：

（1）兩個(gè)電機(jī)安裝在機(jī)翼的兩側(cè)，分別帶動一個(gè)微型共軸雙旋翼，上下旋翼、左右旋翼的轉(zhuǎn)向相反，這樣它們之間可以相互抵消反扭矩。（2）可以垂直起飛和降落，還可以懸停，對起降條件的要求比固定翼微型飛行器低得多。（3）在巡航狀態(tài)飛行時(shí)可以像固定翼微型飛行器一樣快速前飛，進(jìn)而能有更大的使用半徑和飛行效率。（4）固定翼飛行器平臺無需安裝推力發(fā)動機(jī)，因而結(jié)構(gòu)更加簡單，成本更低，過渡轉(zhuǎn)換階段的控制更加簡單，技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性好。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)為，在一定重量約束條件下滿足飛行器強(qiáng)度和剛度指標(biāo)要求，盡量減輕結(jié)構(gòu)重量。為此，選用質(zhì)量輕、纖度好和抗拉強(qiáng)度高的碳纖維材料，采用板架式結(jié)構(gòu)方案；電機(jī)和螺旋槳直接相連，以減少傳動裝置；左右旋翼電機(jī)的連接采用碳纖維管，以減輕機(jī)身重量并保證機(jī)械強(qiáng)度。

為便于實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)，飛行器的主結(jié)構(gòu)和大部件未考慮氣動外形。這里的氣動布局主要關(guān)注大部件（如機(jī)身、旋翼）的相對位置，以便于飛行器獲得所要求的操控性、穩(wěn)定性及飛行性能為目標(biāo)。

兩個(gè)旋翼橫列布置，槳葉的運(yùn)動半徑布置在主結(jié)構(gòu)之外，減少主結(jié)構(gòu)對氣流的擾動，同時(shí)考慮碳管的強(qiáng)度和剛度，又不能離主結(jié)構(gòu)太遠(yuǎn)，采用如圖1所示設(shè)計(jì)方案。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還要進(jìn)行飛行器的重量計(jì)算和重心定位，保證在各種飛行條件下，通過正常的操控，能維持飛行器的平衡。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

飛行器主要由機(jī)體和電子設(shè)備構(gòu)成。電子設(shè)備包括：飛行控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、遙控器。

飛行控制系統(tǒng)是飛行器的大腦，控制飛行器的飛行姿態(tài)，聽從遙控器的指令進(jìn)行動作。飛行控制系統(tǒng)以采用ARM內(nèi)核的高性能處理器為運(yùn)算核心，以MPU6050為姿態(tài)傳感單元，再加上FLASH存儲器、前后級接口等。ARM處理器負(fù)責(zé)完成傳感器數(shù)據(jù)濾波、四元數(shù)解算、姿態(tài)數(shù)據(jù)輸出、PID控制等任務(wù)。

動力系統(tǒng)包括電池、電子調(diào)速器、電機(jī)、螺旋槳等。為了減輕重量，飛行器采用鋰聚合物電池作為動力。鋰聚合物電池具有大電流放電的能力，沒有記憶效應(yīng)，能量密度高，重量輕，是目前比較好的動力電池。電子調(diào)速器能夠控制電機(jī)驅(qū)動信號的輸出，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的可調(diào)可控。電子調(diào)速器采用PWM方式控制電機(jī)的輸入電壓，該P(yáng)WM波形信號由主控芯片通過定時(shí)器來產(chǎn)生。電機(jī)用來驅(qū)動旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動力。本設(shè)計(jì)采用了簡單可靠的無刷直流電機(jī)作為動力產(chǎn)生器。無刷電機(jī)具有效率高、調(diào)速性能好、結(jié)構(gòu)簡單等一系列的優(yōu)點(diǎn)。無刷電機(jī)必須與電子調(diào)速器協(xié)調(diào)工作。

遙控器由搖桿、A/D轉(zhuǎn)換芯片、無線傳輸模塊和相應(yīng)傳感器組成，能夠?qū)⒖刂浦噶畎l(fā)送至飛行控制系統(tǒng)，同時(shí)接收飛行器反饋回來的狀態(tài)信息。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

飛控系統(tǒng)的核心算法程序運(yùn)行在ARM內(nèi)核中，主要完成飛行器的姿態(tài)解算以及PID控制等。

飛控系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，初始化完成后即進(jìn)入睡眠狀態(tài)。每隔2ms被定時(shí)器中斷喚醒一次。被定時(shí)器中斷喚醒后，首先進(jìn)行加速度計(jì)和陀螺儀的零偏校準(zhǔn)，然后檢查是否收到遙控器指令；若收到遙控器指令，則飛控主程序解鎖，進(jìn)入飛控主程序中；否則繼續(xù)睡眠等待下一次被喚醒。飛控主程序解鎖后，首先進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的讀取，對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波、修正等；修正后的MPU6050傳感器數(shù)據(jù)，利用四元數(shù)法進(jìn)行俯仰角（pitch）和橫滾角（roll）的解算，利用基于磁力計(jì)傾斜補(bǔ)償?shù)钠浇撬惴ㄟM(jìn)行偏航角（yaw）的解算；解算出的三個(gè)姿態(tài)角與設(shè)定的值進(jìn)行作差比較，然后調(diào)整電子調(diào)速器輸出新的PWM波形信號，結(jié)束當(dāng)前控制周期，繼續(xù)睡眠等待下一次被喚醒。輸出的PWM波形驅(qū)動無刷電機(jī)控制旋翼的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對飛行姿態(tài)的調(diào)整。

5 飛行試驗(yàn)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，制作了原理驗(yàn)證機(jī)，并對各飛行狀態(tài)及轉(zhuǎn)換過渡飛行進(jìn)行了飛行試驗(yàn)。通過飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了該飛行器既具有優(yōu)異的垂直起降和懸停性能，又具有較快的飛行速度。該飛行器操控極其簡單，甚至可以在室內(nèi)靈活飛行，如圖2所示。

6 結(jié)語

本文結(jié)合旋翼飛行器和固定翼飛行器的優(yōu)點(diǎn)，提出一種復(fù)合式雙旋翼微型飛行器。該飛行器具有優(yōu)異的垂直起降和懸停性能，飛行速度卻比一般旋翼飛行器要快得多。具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，轉(zhuǎn)換過渡穩(wěn)定平滑，可控性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，對軍用、民用小型無人機(jī)的設(shè)計(jì)具有較大的參考借鑒價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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