崔芹芹

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1 對于無人機(jī)的認(rèn)識

（1）無人機(jī)，簡稱UAV（Unmanned Aerial Vehicle），指不載有操作人員、利用空氣動力起飛、可以自主飛行或遙控駕駛、可以一次使用也可以回收使用的、攜有致命或非致命有效負(fù)載的飛行器。

（2）無人機(jī)的組成：無人機(jī)一般由飛機(jī)平臺系統(tǒng)、有效載荷系統(tǒng)（信息采集系統(tǒng)）和地面控制系統(tǒng)三大部分組成。飛機(jī)平臺系統(tǒng)和有效載荷系統(tǒng)組成了整個飛行器，根據(jù)負(fù)載能力和實(shí)現(xiàn)任務(wù)的不同，一個平臺可以搭載多套有效載荷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能。

（3）無人機(jī)家族體系龐大，當(dāng)前無人機(jī)市場以固定翼和旋翼無人機(jī)為主。

（4）一種無人機(jī)光電載荷，由20X變焦可見光電視，寬/窄現(xiàn)場可切換長波前視紅外和重頻5Hz的脈沖激光測距機(jī)構(gòu)成，緊湊安裝在25μrad穩(wěn)定精度的兩軸四框架穩(wěn)定上，該光電載荷下傳到地面站的圖像清晰，目標(biāo)定位數(shù)據(jù)可信，定位精度滿足技術(shù)要求。

2 認(rèn)為無人機(jī)有3個方面可以改進(jìn)

2.1 對于20X變焦可見光CCD電視

作為主要的測量定位用光電傳感器，20X變焦可見光CCD電視除滿足連續(xù)變焦過程中成像清晰，視軸不跳動和焦面重復(fù)性好等常規(guī)要求外，還要保持足夠高的焦距輸出精度、制約變焦過程中重心的變化，以及做好與激光接受共光路的設(shè)計(jì)。

由于20X變焦可見光電視的穩(wěn)定精度取決于兩軸四框架控制的穩(wěn)定平臺，而兩軸四框架的傳動控制采用了導(dǎo)槽、導(dǎo)輪和凸輪傳遞，對傳遞凸輪的制造精度要求高，振動和噪聲要求嚴(yán)格。

2.2 對于無人機(jī)動力系統(tǒng)

盡管無人機(jī)的動力系統(tǒng)經(jīng)常配備有：活塞發(fā)動機(jī)、渦軸發(fā)動機(jī)、渦槳發(fā)動機(jī)、渦噴發(fā)動機(jī)、渦扇發(fā)動機(jī)、微型電動機(jī)/內(nèi)燃機(jī)/噴氣發(fā)動機(jī)。值得特別指出的是，由于歷史原因，目前多數(shù)無人機(jī)采用活塞發(fā)動機(jī)，雖然活塞發(fā)動機(jī)只適用于低速小型無人機(jī)，局限性較大；而推力變化范圍大、耗油率低、高空性能好的渦扇發(fā)動機(jī)在無人機(jī)動力裝置將占有重要地位。無人機(jī)發(fā)動機(jī)類型的選擇不但與無人機(jī)要求的性能有關(guān)而且與當(dāng)時的發(fā)動機(jī)技術(shù)水平、研制進(jìn)度要求及用戶的經(jīng)濟(jì)承受力等有關(guān)。但從無人機(jī)動力的裝置選擇情況來看，活塞式發(fā)動機(jī)適用于低谷、中低空的偵查、監(jiān)視無人機(jī)及長航時無人機(jī)，飛機(jī)起飛質(zhì)最較小一般為幾百千克。所以目前仍得到廣泛的采用。

凡是活塞式發(fā)動機(jī)都具有配氣凸輪（軸），凸輪制造工藝復(fù)雜，要求精度高，在某種程度上，限制了活塞式發(fā)動機(jī)的使用性能和推廣。

2.3 對于多旋翼無人機(jī)

多旋翼無人機(jī)有6種工作狀態(tài)，分別為：垂直運(yùn)動、俯仰運(yùn)動、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動、偏航運(yùn)動、前后運(yùn)動、側(cè)向運(yùn)動。

四旋翼飛行器通過調(diào)節(jié)四個電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機(jī)，但只有四個輸入力，同時卻有六個狀態(tài)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)。

圖1 四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式

四旋翼飛行器的電機(jī)1和電機(jī)3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機(jī)2和電機(jī)4順時針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時，陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消。

在上圖中，電機(jī)1和電機(jī)3作逆時針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)2和電機(jī)4作順時針旋轉(zhuǎn)，規(guī)定沿 x軸正方向運(yùn)動稱為向前運(yùn)動，箭頭在旋翼的運(yùn)動平面上方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，在下方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。

通過對多旋翼無人機(jī)的研究，認(rèn)為四個旋翼電機(jī)是處于各自獨(dú)立的工作狀態(tài)，問題是旋翼電機(jī)在旋翼上是固定的位置，旋槳全部處在同一舉升水平上。電機(jī)四角對稱中心的設(shè)計(jì)限制住了6個輸出狀態(tài)，改進(jìn)旋槳將達(dá)到對于中心在增倍旋轉(zhuǎn)的同時可以伸縮運(yùn)動，采用這樣的結(jié)構(gòu)將使4個輸入力控制6個飛行狀態(tài)，變得更加靈活。

3 發(fā)明專利推介

3.1 本發(fā)明人獲得專利

《新型精密滾動摩擦傳動凸輪傳動系統(tǒng)》，獲得時間：2016年8月10日，專利號：ZL201620150868.4。

由于典型的凸輪傳動，沖程量一般不可以調(diào)解，傳動使用噪音大，振動大，傳動磨損大，為了解決以上問題，本發(fā)明人對凸輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行研究與開發(fā)，目的是要改進(jìn)原有曲柄曲拐式凸輪傳動為本項(xiàng)目內(nèi)嵌偏心齒輪軸、外配內(nèi)齒圈加滾動軸承的全新的傳動方式。

3.2 核心技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

本設(shè)計(jì)為內(nèi)外雙層凸輪，往復(fù)行程可以從0～e1+e2，自由精確調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍大，精度高。（以精密齒輪制造精度可以達(dá)到±0.01mm）。

本凸輪傳動系統(tǒng)可以從偏心距為0到2倍偏心齒輪軸的行程調(diào)節(jié)量，做到無極精密調(diào)節(jié)，并且實(shí)現(xiàn)了凸輪傳動的連續(xù)的勻速滾動摩擦。從該技術(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以看出，本發(fā)明和傳統(tǒng)的凸輪傳動比較，有較大的傳動原理上的突破，內(nèi)外偏心齒輪傳動的凸輪完全可以應(yīng)用在更高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械裝置上采用。

圖2 內(nèi)外凸輪組合求各轉(zhuǎn)角狀態(tài)下凸輪的偏心量調(diào)節(jié)示意圖

3.3 凸輪專利的原理簡介

本設(shè)計(jì)為內(nèi)外雙層凸輪，往復(fù)行程可以從0～e1+e2，自由精確調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍大，精度高。（以精密齒數(shù)制造精度可以達(dá)到±0.01mm）（偏心量調(diào)解 見圖2《偏心量調(diào)節(jié)示意圖》）。

該凸輪傳動系統(tǒng)的主要原理為偏心外齒輪軸嵌入內(nèi)齒圈，齒圈外圓鑲嵌滾動軸承。偏心外齒輪軸嵌入內(nèi)齒圈的初裝角度，即決定了外齒圈的偏心量（外齒圈和滾動軸承為一體）。因此當(dāng)偏心軸轉(zhuǎn)動時外齒圈也同樣繞著偏心軸轉(zhuǎn)動，這樣外齒圈就形成了一個可以滾動摩擦的傳動凸輪。由于外凸輪為圓形，并且可以鑲有滾動軸承；升降傳動軸外嵌軸承，這樣在相對傳遞中可以實(shí)現(xiàn)始終接觸不脫離無沖擊的滾動摩擦。

3.4 本專利發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)

（1）傳動環(huán)節(jié)簡單、為Ⅰ級傳遞、功率損失小、機(jī)械效率高。（2）傳動系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的在潤滑和滾動摩擦狀態(tài)下工作，傳動噪聲小。（3）節(jié)能、減噪、符合國家“節(jié)能減排”要求。（4）可以滿足較高頻率的試驗(yàn)要求。（5）調(diào)節(jié)往復(fù)行程方便、快捷，提高工作效率。（6）往復(fù)的行程可以達(dá)到精確調(diào)解。（7）體積小、重量輕。（8）具有在機(jī)械行業(yè)廣泛推廣價值。

4 認(rèn)為本發(fā)明針對上述3方面的不足可以進(jìn)行改善：

（1）無人機(jī)穩(wěn)定平臺的控制，由內(nèi)外框架的兩套控制子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，均使用PWM控制直流電動機(jī)驅(qū)動，也就是說由回轉(zhuǎn)運(yùn)動要轉(zhuǎn)變成導(dǎo)輪、導(dǎo)槽與凸輪的直線運(yùn)動。CCD電視控制要求實(shí)測焦距輸出精度在優(yōu)于2%的條件下，凸輪傳動誤差精度為0.61°，如果采用《新型精密滾動摩擦傳動凸輪傳動系統(tǒng)》專利，可以實(shí)現(xiàn)凸輪的超精密加工（因?yàn)樵撏馆啚閳A形）；可以在一次凸輪設(shè)計(jì)制造中，獲得N個調(diào)整角度和行程量。對于角度可以為 0 min ～ α max ；對于沖程可以由 0 min ～2e max（e為內(nèi)外凸輪偏心量）進(jìn)行無極調(diào)節(jié)，這樣凸輪誤差可以精準(zhǔn)到1個齒的分度圓的精密角度（現(xiàn)在精密超小模數(shù)齒輪的加工技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟），通過應(yīng)用此凸輪傳動系統(tǒng)后，兩軸四框架穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與控制更為合理，完全可以超過要求的誤差精度，具有實(shí)用的意義和推廣價值。

（2）本發(fā)明專利《新型精密滾動摩擦傳動凸輪傳動系統(tǒng)》從結(jié)構(gòu)原理和制造工藝要求可以看出，完全適用于無人機(jī)活塞式發(fā)動機(jī)的配器氣凸輪（軸）系統(tǒng)的精密復(fù)雜的凸輪設(shè)計(jì)和制造。如果采用本專利設(shè)計(jì)，可以使得配氣凸輪（軸）的凸輪制造和角度、沖程調(diào)節(jié)變得更加精密、方便、體積變得更??；另外對于發(fā)動機(jī)的曲軸（曲拐凸輪）設(shè)計(jì)和制造也有一定的參考作用。

（3）從旋翼無人機(jī)的四個旋翼傳動原理可以看出：旋翼的速度、角度和旋翼的舉升位置決定了無人機(jī)的6個自由度的飛行狀態(tài)。這種狀態(tài)的動力來自于四臺獨(dú)立的電動機(jī)驅(qū)動。電動機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)翼的速度、角度和旋翼的舉升位置即實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)的啟動動力和操控狀態(tài)的控制。

本專利發(fā)明人經(jīng)過工作實(shí)踐，對于原專利進(jìn)行了延伸設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了銑刀凸輪進(jìn)給系統(tǒng)。

經(jīng)過對于旋翼無人機(jī)6種工作狀態(tài)的粗淺認(rèn)識，認(rèn)為該專利的延伸設(shè)計(jì)完全可以應(yīng)用到旋翼電機(jī)傳動和旋轉(zhuǎn)翼的速度、角度、舉升位置的控制。四個旋翼電機(jī)是處于各自獨(dú)立的工作狀態(tài)，旋翼電機(jī)在旋翼上是固定的位置，旋槳全部處在同一舉升水平上。電機(jī)四角對稱中心的設(shè)計(jì)限制住了6個輸出狀態(tài)，改進(jìn)旋槳將達(dá)到對于中心在增倍旋轉(zhuǎn)的同時可以伸縮運(yùn)動，采用這樣的結(jié)構(gòu)將使4個輸入力控制6個飛行狀態(tài)，變得更加靈活。

該設(shè)計(jì)原理如下：在原無級精密凸輪傳動的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大了使用范圍的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)是：凸輪傳動系統(tǒng)（1），偏心凸輪的外圓環(huán)改為小模數(shù)齒圈，件號19為第一級傳動齒輪，件號11為第二級傳動齒輪，第一級第二級傳動齒輪由兩根固定軸和輪軸與軸承固定板件號5裝配在一起，輪軸固定板5由件號6（四塊定位導(dǎo)向滑板）夾持在機(jī)架8的配合滑道中。

其傳動過程是：當(dāng)偏心凸輪1在電機(jī)（四臺電機(jī)分別帶動一個凸輪軸）。電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過凸輪外齒圈（120齒；延伸設(shè)計(jì)圖為驅(qū)動手輪13）傳動給第一級齒輪（60齒），一級齒輪傳遞給二級齒輪（30齒），這樣就實(shí)現(xiàn)了1：4的增速傳動。

該系統(tǒng)由于固定一級二級齒輪軸的固定板5在傳動中處于在機(jī)架上可以自由上下滑動狀態(tài)（件號6），在導(dǎo)向滑板的控制下能夠做到精密的上下直線運(yùn)動。

圖3 銑刀凸輪進(jìn)給系統(tǒng)傳動原理演示器總裝圖

圖4 齒形傳動凸輪（銑刀進(jìn)給系統(tǒng)）

圖5 中間傳動軸齒輪

為了使固定板5能夠隨著凸輪沖程的減少而上升，保證3個齒輪傳動系的不脫離接觸，在固定板下面設(shè)有支撐彈簧，件號9（彈簧座）。

在二級齒輪軸的一端設(shè)有螺旋翼（原設(shè)計(jì)為銑刀盤）。

專利的延伸設(shè)計(jì)使得凸輪和齒輪傳動合理的結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了動力輸出軸的轉(zhuǎn)速增倍（本設(shè)計(jì)是1：4）

從該設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖可以看出：旋翼電機(jī)經(jīng)過凸輪齒輪1齒輪2實(shí)現(xiàn)了速度的倍增（4倍）和螺旋翼在旋翼端的舉升位置可以由中心向外進(jìn)行滑動，這樣就實(shí)現(xiàn)了4個舉升器對于中心的旋轉(zhuǎn)位置是可以操控的。本發(fā)明人認(rèn)為通過舉升旋轉(zhuǎn)翼4個相對位置的變化，有可能實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的6個飛行狀態(tài)的控制。附 銑刀凸輪進(jìn)給系統(tǒng)（傳動凸輪演示器）總裝圖、齒形傳動凸輪、中間傳動軸齒輪、銑刀進(jìn)給傳動軸齒輪和軸承支撐板。

圖6 軸承支板