周超，張美紅，高琳杰

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院民航飛行技術(shù)與飛行安全科研基地，四川廣漢，618307)

八旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能分析

周超，張美紅，高琳杰

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院民航飛行技術(shù)與飛行安全科研基地，四川廣漢，618307)

本文以零度X4V2飛控為控制核心，以軸距為1200mm帶電子收放腳架的機(jī)架為平臺(tái)，選擇動(dòng)力裝置為DJI 3508 415KV電機(jī)，DJI CFP 15*5.5槳，DJI E1200，60A電調(diào)，供電選擇酷點(diǎn)6S，16000mAh，放電倍率15C/30C的鋰電池，設(shè)計(jì)一架可用于航拍、無(wú)人機(jī)駕駛員培訓(xùn)等方面的八旋翼無(wú)人機(jī)。實(shí)際測(cè)試表明：該無(wú)人機(jī)可以在航拍設(shè)備2Kg的情況下有效飛行20min以上，平飛速度大于5m/s，有飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，自動(dòng)導(dǎo)航，航線(xiàn)飛行，低電壓LED報(bào)警等多種功能。

無(wú)人機(jī)；八旋翼；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；性能分析

0 引言

無(wú)人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)“無(wú)人機(jī)”，英文縮寫(xiě)為“UAV”，是利用無(wú)線(xiàn)電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。主要分為：固定翼、多旋翼，無(wú)人直升機(jī)。與傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電遙控飛機(jī)的區(qū)別，無(wú)人機(jī)能通過(guò)其內(nèi)部設(shè)定的程序?qū)崿F(xiàn)自主飛行。由于旋翼式無(wú)人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)懸停、側(cè)飛、倒飛、在狹小空間中飛行等固定翼無(wú)人機(jī)無(wú)法完成的操作，旋翼式無(wú)人機(jī)受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。本文以零度飛控X4V2為基礎(chǔ)，搭配大疆動(dòng)力套裝，設(shè)計(jì)一款可用于航拍、無(wú)人機(jī)駕駛員培訓(xùn)等方面的八旋翼無(wú)人機(jī)，實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 八旋翼機(jī)架及腳架

無(wú)人機(jī)的支撐和外觀系統(tǒng)通常由機(jī)架、腳架組成。機(jī)架是多軸飛行器結(jié)構(gòu)的核心，所有動(dòng)力設(shè)備都需要由機(jī)架進(jìn)行承載。機(jī)架的材料有塑料、木頭、金屬、玻璃纖維、碳纖維等種類(lèi)。不同的材料剛度和強(qiáng)度不同，價(jià)位也有很大區(qū)別。機(jī)架的尺寸由軸距表示，軸距是指對(duì)角線(xiàn)兩個(gè)螺旋槳中心的距離，單位通常是毫米（mm），表示機(jī)架的尺寸大小。腳架也叫起落架，主要用途是支撐無(wú)人機(jī)，避免螺旋槳離地太近，減弱起飛時(shí)的地效，消耗和吸收多旋翼著陸時(shí)的撞擊能量。

機(jī)架運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性與安全性降低，振動(dòng)主要源于機(jī)架變形、螺旋槳和電機(jī)不對(duì)稱(chēng)。所以選擇機(jī)架時(shí)剛度越大越好，現(xiàn)階段多使用性?xún)r(jià)比較高的碳纖維材料。最后選擇機(jī)架TYI-1200，參數(shù)為：軸距1147mm 中心板340mm 機(jī)臂403mm，有電動(dòng)收放腳架功能。

2 飛控

飛控是多軸飛行器的核心，用來(lái)控制電機(jī)協(xié)調(diào)工作，檢測(cè)飛行器高度、姿態(tài)，自動(dòng)調(diào)節(jié)飛行動(dòng)作等。選擇飛控時(shí)首先要考慮飛控與其他部件的兼容性。其次需參考市場(chǎng)評(píng)價(jià)，考慮其使用性?xún)r(jià)比和安全性；最后，對(duì)于不同的用戶(hù)，是否要經(jīng)常修改飛控程序與參數(shù)，選擇編程復(fù)雜程度合適的產(chǎn)品。本文選擇零度X4V2型號(hào)，因?yàn)楦目铒w控?fù)碛酗w行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，自動(dòng)導(dǎo)航，航線(xiàn)飛行，兩軸云臺(tái)增穩(wěn)，低電壓LED報(bào)警等多種自帶功能，性?xún)r(jià)比較高。

3 電機(jī)

動(dòng)力系統(tǒng)包括：電機(jī)，電調(diào)，螺旋槳。本文設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)需要執(zhí)行較遠(yuǎn)的航程和較大飛行高度，則必須具有一定抗風(fēng)性。因此在設(shè)計(jì)階段考慮較大的動(dòng)力冗余，最終選用大電機(jī)，配大的螺旋槳。

電機(jī)與螺旋槳需要合理搭配才能達(dá)到設(shè)計(jì)的初衷，具體原理闡述如下：螺旋槳越大，升力就越大，但對(duì)應(yīng)需要更大的力量來(lái)驅(qū)動(dòng)；螺旋槳轉(zhuǎn)速越高，升力越大；電機(jī)的kv越小，轉(zhuǎn)動(dòng)力量就越大。綜上所述，大螺旋槳就需要用低kv電機(jī)，小螺旋槳就需要高kv電機(jī)，因?yàn)樾枰棉D(zhuǎn)速來(lái)彌補(bǔ)升力不足。如果高kv帶大槳，力量不夠，就很困難，實(shí)際還是低俗運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)和電調(diào)很容易燒掉。如果低kv帶小槳，完全沒(méi)有問(wèn)題，但升力不夠，可能造成無(wú)法起飛?；谏鲜隹紤]，對(duì)市場(chǎng)中幾種常見(jiàn)廠商出產(chǎn)的同型號(hào)產(chǎn)品做比較，最后選擇電機(jī) DJI 3508 415KV，因?yàn)樵摌扑]起飛重量800g，最大提供升力2000g，既滿(mǎn)足了基本要求，又有很大的富余量保證安全。

4 螺旋槳

選擇單槳和共軸雙槳時(shí)，雖然雙槳可以不增加整體尺寸而增加載重，但降低的效率較多。其次，螺旋槳產(chǎn)生的噪聲會(huì)直接影響各靈敏傳感器，同時(shí)影響周?chē)h(huán)境，產(chǎn)生噪聲污染，若設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，噪聲誘發(fā)機(jī)體結(jié)構(gòu)振動(dòng)有可能影響飛機(jī)安全性。解決方法為增加槳葉數(shù)目，這樣可以在保持拉力和功率的前提下，減小螺旋槳的外徑，從而達(dá)到減噪目的，這也是八旋翼相對(duì)四旋翼的優(yōu)點(diǎn)之一。最后，螺旋槳會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，嚴(yán)重的震動(dòng)會(huì)影響到飛控系統(tǒng)中的加速度傳感器，所以要選擇匹配的機(jī)架和電機(jī)，各槳在順逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)有相同的韌性。對(duì)比各類(lèi)槳，選擇碳纖維槳較為合適。大槳會(huì)配低KV的電機(jī)，小槳配高KV的電機(jī)，因?yàn)樾枰棉D(zhuǎn)速來(lái)彌補(bǔ)升力不足。從氣動(dòng)角度出發(fā)，多旋翼應(yīng)選擇所能安裝且不沖突的最大的槳。上節(jié)選擇了DJI 3508電機(jī)，根據(jù)其公司提供最合適配型，選擇 DJI CFP 15*5.5槳，且DJI公司介紹該槳有其公司新設(shè)計(jì)的減噪設(shè)計(jì)，性?xún)r(jià)比較好。

5 電調(diào)

電調(diào)上標(biāo)注的20A等各種型號(hào)，表示能承受的瞬間極限電流，所以一般選取4到5倍以上的規(guī)格。大規(guī)格電調(diào)可以兼容在小電流的電機(jī)上，但小規(guī)格電調(diào)不能給大電機(jī)使用。不選擇很大的電調(diào)的原因首先是價(jià)位，相同情況下，在可以滿(mǎn)足要求的情況下沒(méi)必要花更多的錢(qián)去浪費(fèi)。其次，電調(diào)越大重量和體積也越大，當(dāng)電流還沒(méi)到電調(diào)的最大值時(shí)，電池有可能因?yàn)殡娏鬟^(guò)大損壞。由于電壓選擇22.2V，3.45A支臂最大電流、2.3A巡航電流，需選擇40A以上的高壓電調(diào)可滿(mǎn)足基礎(chǔ)要求，考慮安全裕量，選擇60A以上的電調(diào)較好，最后選擇電調(diào) DJI E1200，60A，與電機(jī)的適配型較好。

八旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)物如圖1所示。

圖1 八旋翼無(wú)人機(jī)

6 飛行測(cè)試

由北航可靠性飛行控制研究組提供的專(zhuān)業(yè)評(píng)測(cè)工具，模擬測(cè)量數(shù)據(jù)如表1左側(cè)所示。實(shí)際測(cè)試結(jié)果如表1右側(cè)所示。可以直觀得到所需參數(shù)數(shù)據(jù)：懸停時(shí)間27′26″，懸停油門(mén)百分比55%，最大平飛速度8m/s。

表1 測(cè)試結(jié)果

7 性能分析

本文設(shè)計(jì)的八旋翼無(wú)人機(jī)可以在有效載荷2Kg的情況下有效飛行20min以上，平飛速度大于5m/s，有飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，自動(dòng)導(dǎo)航，航線(xiàn)飛行，兩軸云臺(tái)增穩(wěn)，低電壓LED報(bào)警等多種自帶功能，當(dāng)其中一個(gè)旋翼出現(xiàn)問(wèn)題不能正常工作時(shí)，依舊可以安全降落。同時(shí)，擁有電動(dòng)收放腳架且有自鎖能力，保證機(jī)身的安全性同時(shí)不影響航拍效果。

8 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的八旋翼無(wú)人機(jī)，懸停時(shí)有較高的效率，可以完成在2kg負(fù)載的條件下20min以上的飛行任務(wù)，同時(shí)，動(dòng)力較為富余，有更好的安全性和性能提升空間。該八旋翼無(wú)人機(jī)穩(wěn)定性較好而機(jī)動(dòng)性不高，適用于航拍、電力檢測(cè)、貨物運(yùn)送等對(duì)飛行動(dòng)作要求低而續(xù)航與穩(wěn)定要求高的項(xiàng)目上，有廣闊的應(yīng)用空間。

[1]黃澤滿(mǎn),劉勇,周星,等.民用無(wú)人機(jī)應(yīng)用發(fā)展概述[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014(24):30-32.

[2]孫毅.無(wú)人機(jī)駕駛員航空知識(shí)手冊(cè).北京：中國(guó)民航出版社，2014.

[3]張利國(guó),謝朝輝.電動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)螺旋槳的性能計(jì)算與分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2016(1):17-18.

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Eight Rotor Unmanned Aerial Vehicle (UAV) System Design and Performance Analysis

Zhou Chao,Zhang Meihong,Gao Linjie
（CAAC Academy of Flight Technology and Safety, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan Sichuan ,618307）

In this paper,an original design of a UAV having eight rotors is presented,which can be used for aerial photography and UAV driver training.The UAV is controlled by Zerotech X4V2 and takes the wheelbase 1200mm machine with electronic retractor as a platform.The UAV is equipped with DJI 3058 415kv electric motor,DJI CFP 15*5.5 propellors and DJI E1200 60A electronic speed control as its powerplant and powered by Kudian6S 1600mAh Lithium battery at 15C and 30C discharge rate.The actual test results show that the UAV can fly effectively more than 20 minutes carrying aerial photography devices which weigh 2kg,at a level flight speed over 5m/s Meanwhile, different functions can be realized, especially flight data real-time display, autopilot,airline operation and low voltage alarm using LED

UAV；Eight Rotor；System design；Performance analysis

2016 年中央高校教育教學(xué)改革專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目（E20160202），民航飛行技術(shù)與飛行安全科研基地開(kāi)放基金項(xiàng)目（F2014KF06，F(xiàn)2015KF02），2016年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（201610624013）。