蔚國飛 鐘 力 / 上海電機學(xué)院

一種無人機的研究

蔚國飛 鐘 力 / 上海電機學(xué)院

本文提出一種既可以像直升機那樣實現(xiàn)豎直方向的懸停、垂直起降以及高機動性，同時又可像固定翼飛機那樣利用機翼的升力進行相對低能耗的長途奔襲的無人機結(jié)構(gòu)。該無人機可在不同飛行任務(wù)下實現(xiàn)變形，并在四葉槳飛行器和固定翼飛行器之間進行切換，從而滿足不同環(huán)境的需求。

無人機；垂直起降；研究

引言

隨著無人機相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，無人機在對未知領(lǐng)域的勘測及危險區(qū)的偵查，尤其是在軍事無人探測領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用越來越廣泛，作用爺越來越大。由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭的實際情況復(fù)雜多變，對無人機提出了更高的要求：既要高機動靈活，又要具備較大的飛行半徑。而現(xiàn)有的無人機方案難以滿足上述要求。直升機和四葉槳飛行器均可垂直起降，但直升機飛控系統(tǒng)開發(fā)復(fù)雜、不易維護，四葉槳飛行器能耗大、飛行速度低、飛行半徑很??；固定翼飛機飛行能耗小、飛行半徑大，但垂直起降與懸停實現(xiàn)復(fù)雜，且不適用于狹小地段的偵查。目前的可以實現(xiàn)垂直起降的無人機分為兩大類：推力定向式和推力換向式。推力定向式無人機存在機構(gòu)復(fù)雜,不易維護,飛控系統(tǒng)復(fù)雜，在長途奔襲時能源耗費較大等缺點；推力換向式無人機要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實現(xiàn)困難，要么機動靈活性能不足。

1.新結(jié)構(gòu)無人機的技術(shù)難點與實現(xiàn)

（1）如何保證翼端變形運動到位后鎖定：采用二態(tài)四桿機構(gòu)，在轉(zhuǎn)動過程中，為滑塊搖桿機構(gòu)；在搖桿運動到極限位置時，利用推桿端部和轉(zhuǎn)動桿頂部之間的摩擦，起到定位鎖定的功能；

（2）如何保證各個電機更好地協(xié)調(diào)：利用陀螺儀來輔助控制各個電機的轉(zhuǎn)速；

（3）在四葉槳飛行器狀態(tài)下，如何控制飛機在航向上轉(zhuǎn)彎：在涵道下方安裝導(dǎo)流板，通過調(diào)整導(dǎo)流板的角度來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。

2.無人機的結(jié)構(gòu)

新結(jié)構(gòu)無人機采用葉槳為動力，可以像直升機和四葉槳飛行器那樣豎直懸停，垂直起降；而在巡航飛行時，2個葉槳可以翻轉(zhuǎn)90°，同時，翼端可以展開，此時，無人機變形為三角翼布局的固定翼飛機。其結(jié)構(gòu)包括：主體，伸展單元，驅(qū)動單元和轉(zhuǎn)向單元等部分。主體包括機身1，位于機身下方的支撐以及位于支撐板下方的轉(zhuǎn)輪；伸展單元包括鉸接于主體兩側(cè)的側(cè)翼2以及驅(qū)動側(cè)翼旋轉(zhuǎn)的伸展電機17；驅(qū)動單元包括固定于機身的多個旋翼15、分別驅(qū)動每個旋翼轉(zhuǎn)動的多個第一驅(qū)動電機8以及分別驅(qū)動每個旋翼轉(zhuǎn)動方向發(fā)生改變的多個第二驅(qū)動電機16；轉(zhuǎn)向單元包括固定于機身端部的導(dǎo)流板4以及驅(qū)動導(dǎo)流板旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向電機7。機身和支撐板是通過多根支撐桿14和23等進行固定；在支撐板上且靠近支撐板的前端固定設(shè)置有攝像頭10；在支撐板后端的左右兩側(cè)固定伸展電機17，在伸展電機一側(cè)的支撐板上安裝導(dǎo)軌18，導(dǎo)軌設(shè)有導(dǎo)槽19；螺母20的底部嵌于導(dǎo)軌的導(dǎo)槽內(nèi)，螺母的中部的內(nèi)螺紋通孔套于絲杠21上，螺母的頂部的鉸鏈與連接桿22的底部鉸接；連接桿的頂部的鉸鏈與側(cè)翼下部鉸接；旋翼的底部與第二驅(qū)動電機17固定相連；在機身的下方固定有第一驅(qū)動電機8；導(dǎo)流板4通過軸承固定在機身上，軸承的外圈5與導(dǎo)流板4底部固定相連，軸承的內(nèi)圈6與機身固定相連。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無人機結(jié)構(gòu)簡圖

3.無人機的實施

操作者調(diào)試好無人機的初始設(shè)置狀態(tài)，打開四個第一驅(qū)動電機，此時無人機可以垂直的進行升空，再通過控制第二驅(qū)動電機將兩側(cè)的旋翼進行90度的旋轉(zhuǎn)，此時無人機可以前進，然后通過控制轉(zhuǎn)向電機，可以左右轉(zhuǎn)動導(dǎo)流板，可以根據(jù)要求進行合適的轉(zhuǎn)向，在整個飛行過程中，支撐板前部的攝像頭實時的進行拍攝并通過無線傳輸將訊息傳遞給操作者，當(dāng)操作完畢時，再通過控制第二驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)旋翼90度，此時可以進行垂直的下降。

當(dāng)無人機垂直起降或者需要減小無人機尺寸時，其翼端折疊，為四葉槳飛行器；當(dāng)巡航飛行時，翼端展開、涵道翻轉(zhuǎn)90°時為固定翼飛行器；當(dāng)垂直起降時，翼端折疊，4個葉槳作為動力，構(gòu)成四葉槳飛行器，可以輕松實現(xiàn)垂直起降功能，同時折疊的機翼可以作為起落架使用；在巡航飛行時，兩個葉槳翻轉(zhuǎn)90°，推動無人機飛行，其它兩個葉槳關(guān)閉，可以節(jié)省能耗；同時，翼端展開，構(gòu)成三角翼氣動布局，便于巡航飛行，具有較高的飛行速度和較大的飛行半徑。

[1]查海衛(wèi)、辛紹杰，張婧，李林冬，蔚國飛，陳睿.無人機.中國，ZL201510490493.6[P]2017年5月17日.

蔚國飛，男，上海電機學(xué)院機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，本科生。

鐘力，女，上海電機學(xué)院機械學(xué)院副教授。