劉月升

項(xiàng)目背景

多旋翼無(wú)人機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于航拍航測(cè)、消防安全、軍事、農(nóng)業(yè)等方方面面，并逐步走近普通消費(fèi)者。為了更直觀(guān)地展示多旋翼動(dòng)力旋翼組件安裝的穩(wěn)定原理和讓學(xué)生更深入地理解無(wú)人機(jī)的安裝技術(shù)原則，我考慮再三后決定設(shè)計(jì)一個(gè)飛行控制相對(duì)穩(wěn)定的無(wú)人機(jī)，以驗(yàn)證只要保持飛行控制裝置的水平安裝面與旋翼水平安裝面平行，就能始終保持飛機(jī)相對(duì)穩(wěn)定的飛行。通過(guò)設(shè)計(jì)我也偶然發(fā)現(xiàn)，通過(guò)增加一些相關(guān)的配件還能使無(wú)人機(jī)具備橫向移動(dòng)、空中調(diào)整拍攝角度、全地形起降等功能。

設(shè)計(jì)方案

我把無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成平行聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)，使無(wú)人機(jī)的飛行控制裝置在機(jī)身的變形情況下始終與4個(gè)旋翼保持水平平行狀態(tài)。

本無(wú)人機(jī)由機(jī)身支架、舵機(jī)、雙層同步輪、雙層同步輪內(nèi)安裝平面、方臺(tái)、前同步帶輪、后同步帶輪、延長(zhǎng)桿、電機(jī)螺旋槳?jiǎng)恿M合、飛行控制裝置（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“飛控”）、動(dòng)力電源、變形控制電子裝置等構(gòu)成（見(jiàn)圖1和圖2）。

包括機(jī)身支架和機(jī)身支架上安裝的4活結(jié)（前后各2）內(nèi)孔各穿入1根延長(zhǎng)桿，機(jī)身支架中間部分安裝方臺(tái)，方臺(tái)內(nèi)孔穿過(guò)傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸中間部位固定連接雙層同步輪，舵機(jī)輸出軸與傳動(dòng)軸連接，舵機(jī)固定安裝于一側(cè)機(jī)身支架的中間部位，雙層同步帶輪上掛裝2同步帶，2同步帶分別連接前同步帶輪和后同步帶輪，2同步帶輪分別與前后2根延長(zhǎng)桿固定連接，雙層同步帶輪上有1方孔，方孔中的安裝平面安裝飛控或飛控水平傳感器部分，延長(zhǎng)桿兩端安裝電機(jī)和螺旋槳?jiǎng)恿M合。

無(wú)人機(jī)主體結(jié)構(gòu)采用碳纖維材料制作，并可根據(jù)需要更換不同起落架。無(wú)人機(jī)采用22.2V電壓、容量12000mA鋰聚合電池供電。遙控器采用標(biāo)準(zhǔn)2.4G航模比例遙控器。無(wú)人機(jī)起飛重量4kg，動(dòng)力部分采用4個(gè)5010盤(pán)式電機(jī)和17英寸螺旋槳。

為滿(mǎn)足全地形起降功能，無(wú)人機(jī)專(zhuān)門(mén)安排了2種起落架供更換，一種為山地平原起落架，一種為沼澤與水上起落架。

研制過(guò)程

我最初設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)為H形，但發(fā)現(xiàn)這樣會(huì)使合頁(yè)的使用增加，結(jié)構(gòu)上更復(fù)雜，因此我又把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙工字形，同時(shí)中心支架采用鋁合金型材，易于保證結(jié)構(gòu)的剛性和精巧性，其他結(jié)構(gòu)件采用碳纖維管制作，用鋁合金三通管固定，保障結(jié)構(gòu)的剛性。主體結(jié)構(gòu)完成后再安裝動(dòng)力電機(jī)、飛控、接收機(jī)，并連接電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)等。制作完成后進(jìn)行實(shí)際的飛行測(cè)試，我發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)問(wèn)題。

演示效果不明顯。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原因，造成演示效果不突出。

結(jié)構(gòu)不太牢固，變形超出了允許范圍。

4個(gè)起落架部分和電機(jī)旋翼部分是連在一起的，造成變形飛行時(shí)的壓力太大，使變形舵機(jī)和相關(guān)的傳動(dòng)組件的阻力過(guò)大，對(duì)變形造成困難。

旋翼和電機(jī)的功率稍顯不足，衍生功能如水中帶浮筒起飛稍顯吃力。

整體工藝稍顯粗糙。

針對(duì)這些問(wèn)題對(duì)原有的無(wú)人機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后再次進(jìn)行飛行測(cè)試。水平情況下起飛，狀況良好，空中變形飛行、旋停、低速、高速、轉(zhuǎn)彎等各項(xiàng)目飛行狀況良好。負(fù)重飛行測(cè)試時(shí)，分別吊裝1～5瓶450 mL礦泉水測(cè)試以上各項(xiàng)飛行任務(wù)，同樣達(dá)到要求。然后我又選取15°、30°、45°角的不同坡度進(jìn)行起降實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得出本無(wú)人機(jī)最大變形角度為50°，即可在最大坡度50°的斜坡上輕松起降。然后又實(shí)驗(yàn)了水上起降、橫向移動(dòng)、陸地上起降和橫向移動(dòng)等項(xiàng)目。橫向移動(dòng)的最大速度可達(dá)到30km/h，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)陸空、水空的高速轉(zhuǎn)移。加裝上攝影云臺(tái)后還試驗(yàn)了空中無(wú)遮擋攝影操作，非常方便實(shí)用。

無(wú)人機(jī)變形工作過(guò)程

無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中需要變形時(shí)，水平控制部分或遙控控制部分發(fā)出控制指令給舵機(jī)6，控制舵機(jī)6轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，舵機(jī)6直接帶動(dòng)傳動(dòng)軸9作同向轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)與傳動(dòng)軸9固定連接的雙層同步帶輪1同向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)掛在雙層同步帶輪1上的同步帶10和同步帶5，聯(lián)動(dòng)帶動(dòng)掛在同步帶10上的前同步帶輪2和掛在同步帶5上的后同步帶輪3同向轉(zhuǎn)動(dòng)，同步帶動(dòng)固定在前同步帶輪2和后同步帶輪3上的2根延長(zhǎng)桿7和固定在2根延長(zhǎng)桿7上的電機(jī)和螺旋槳?jiǎng)恿M合8作同向轉(zhuǎn)動(dòng)。以上這個(gè)過(guò)程就使固定在雙層同步帶輪1上方孔4內(nèi)的安裝平面11上的飛行控制裝置（或飛控水平傳感部分）15的水平安裝面，始終能和多旋翼的電機(jī)和螺旋槳?jiǎng)恿M合8的安裝平面保持同步平行狀態(tài)，因此不論舵機(jī)6如何轉(zhuǎn)動(dòng)，也不會(huì)影響飛行控制器（或飛控水平傳感部分）15對(duì)多旋翼的水平自穩(wěn)的控制。因此可實(shí)現(xiàn)空中飛行過(guò)程中多旋翼的相對(duì)變形，以滿(mǎn)足飛行中的不同需要。

該項(xiàng)目獲得第32屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類(lèi)一等獎(jiǎng)。

專(zhuān)家評(píng)語(yǔ)

該項(xiàng)目利用無(wú)人機(jī)相對(duì)控制原理對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，增強(qiáng)了演示效果，又滿(mǎn)足了實(shí)際飛行的需要。該項(xiàng)目原理科學(xué)，概念清晰，構(gòu)思巧妙，設(shè)計(jì)合理，作品教育性強(qiáng)。項(xiàng)目選題新穎，具有實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新，對(duì)傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價(jià)值。項(xiàng)目資料齊全，研究報(bào)告書(shū)寫(xiě)規(guī)范。希望該項(xiàng)目在教學(xué)設(shè)計(jì)方面作出改進(jìn)和提升。