彭偉程 張兵

【摘 要】目前，民用無人機(jī)主要為旋翼式和固定翼式兩種，且各有優(yōu)劣。本文針對(duì)起降條件差，飛行環(huán)境復(fù)雜多變的情況設(shè)計(jì)了一種固定翼式垂直起降無人機(jī)。彌補(bǔ)了固定翼飛機(jī)起降距離過長(zhǎng)，且對(duì)路面質(zhì)量要求較高;旋翼機(jī)續(xù)航時(shí)間較短，無法進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間飛行，且飛行速度較慢等問題，并通過雙槳差速有效提升了飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性，安裝飛行控制器提升了飛機(jī)飛行的穩(wěn)定性，并實(shí)現(xiàn)了模塊化制作組裝。最后，總體結(jié)構(gòu)和主要零部件進(jìn)行了二維設(shè)計(jì)和三維建模，實(shí)現(xiàn)了無紙化設(shè)計(jì)和虛擬仿真。

【關(guān)鍵詞】垂直起降;雙槳差速;飛行控制器;模塊化制作組裝

中圖分類號(hào)： V423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）07-0027-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.011

0 引言

無人機(jī)（縮寫為UAV）又稱“空中機(jī)器人”，是一種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、機(jī)上無人駕駛、可重復(fù)使用的航空器。大體上是由無人機(jī)載體、地面站設(shè)備（無線電控制、任務(wù)控制、發(fā)射回收等起降裝置）以及有效負(fù)荷三部分組成的。根據(jù)無人機(jī)的結(jié)構(gòu)、飛行時(shí)間、飛行距離、或執(zhí)行任務(wù)的性質(zhì)等特點(diǎn)我們可以把它劃分為不同種類。從總體結(jié)構(gòu)來看，無人機(jī)有固定翼、垂直旋翼、傾斜旋翼之分;根據(jù)活動(dòng)半徑和續(xù)航時(shí)間，無人機(jī)可大體分為近程、短程、中程和遠(yuǎn)程四類;根據(jù)用途，我們又可以把無人機(jī)分為軍用和民用兩大類。無人機(jī)是1917年由英國(guó)首先研制成功的。雖然它問世已久，但直到這世紀(jì)五十年代才得到真正的發(fā)展。近年來，我國(guó)無人機(jī)更是發(fā)展迅速，軍用無人機(jī)代表有彩虹-5、翼龍-2、翔龍無人機(jī)和天鷹無人機(jī)等。民用上更是厲害，我國(guó)大疆占據(jù)全球民用小型無人機(jī)約70%的市場(chǎng)份額。如今正是無人機(jī)發(fā)展的最迅速的時(shí)候，國(guó)家也在政策上鼓勵(lì)支持，無人機(jī)的設(shè)計(jì)制造近年來逐漸火熱。

目前市面上的民用無人機(jī)主要分為旋翼機(jī)和固定翼式飛機(jī)兩種，兩種飛機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)。旋翼機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有：（1）可垂直起降，不需要彈射器，可懸停、側(cè)飛、倒飛。（2）飛行高度低，執(zhí)行特種任務(wù)能力強(qiáng)。（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活，成本低，且易于維護(hù)。（4）體積輕，重量輕，噪音小。但續(xù)航時(shí)間較短，無法進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間飛行，且飛行速度較慢。固定翼式飛機(jī)優(yōu)點(diǎn)有：（1）續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，航程長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性好。（2）運(yùn)載能力強(qiáng)，可同時(shí)搭載多載荷。（3）飛行速度快，飛行機(jī)動(dòng)性好。但起降距離過長(zhǎng)，且對(duì)路面質(zhì)量要求較高。

如今隨著社會(huì)的發(fā)展，無人機(jī)廣泛應(yīng)用于航拍測(cè)繪、電力巡線、地質(zhì)勘測(cè)、城市應(yīng)急監(jiān)視、快速運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。在工作過程中，往往會(huì)遇到起降條件較差，工作環(huán)境復(fù)雜多變的情況，單純的旋翼機(jī)或固定翼式飛機(jī)已經(jīng)不能很好地完成工作任務(wù)。迫切需要一款綜合性強(qiáng)，能適應(yīng)多種環(huán)境的新型無人機(jī)。

1 功能分析

為了更好地滿足市場(chǎng)需求，該垂直起降無人機(jī)具備以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

（1）將旋翼機(jī)與固定翼機(jī)有機(jī)結(jié)合，起降采用旋翼機(jī)垂直起降方式，縮短了起降距離，降低了對(duì)起降條件的需求;在飛行時(shí)采用固定翼式平飛，飛行速度較旋翼機(jī)大大提高，且降低了飛行能耗，延長(zhǎng)了續(xù)航時(shí)間和里程。

（2）運(yùn)載與投放裝置可模塊化拆卸：運(yùn)載與投放裝置可從機(jī)身上拆卸下來，進(jìn)行搭載其他的機(jī)載設(shè)備，從而使飛機(jī)具備多功能使用的能力

（3）平飛采用差速轉(zhuǎn)向，顯著減小轉(zhuǎn)彎半徑，提高了機(jī)動(dòng)性，降低轉(zhuǎn)向時(shí)的空氣阻力

（4）搭載飛行控制器，可輔助調(diào)節(jié)副翼偏向，提高操控的穩(wěn)定性，降低操控難度，

（5）各部件固聯(lián)采用自行設(shè)計(jì)連接木塊，減少了膠水的使用，降低了機(jī)身重量，簡(jiǎn)化了制作流程，便于后期保養(yǎng)與維修。

2 機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主體機(jī)身

如圖2-a所示，該無人機(jī)采用雙凸對(duì)稱翼a-1，較低的翼型相對(duì)厚度?？v向骨架采用碳纖維與方桐木a-12結(jié)合，方桐木用于安裝時(shí)定位，在進(jìn)行蒙皮時(shí)提供著著力點(diǎn)。碳纖維a-11用于增加強(qiáng)度，保證機(jī)翼主體結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)固。

2.2 轉(zhuǎn)向舵面

轉(zhuǎn)向舵面5主體材料采用巴爾沙木，表面進(jìn)行蒙皮處理。舵面與機(jī)身采用纖維膠帶雙向鉸接，轉(zhuǎn)向舵響應(yīng)速度加快。

2.3 運(yùn)載與投放裝置

運(yùn)載裝置由運(yùn)載環(huán)3與彈性碳纖維桿9組合而成，桿件連接相鄰木圈，固定于底座，著陸時(shí)發(fā)生彈性形變，減小沖擊對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)的破壞

投放機(jī)構(gòu)由舵機(jī)7及碳纖維桿8組成。舵機(jī)行程為0～90°，碳纖維桿固定于舵機(jī)搖臂，當(dāng)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，該桿沿運(yùn)載木圈的徑向方向，封閉貨艙;投放時(shí)舵機(jī)角度歸零，打開貨艙投放。

3 三維模型的建立

3.1 部分零部件

3.2 各個(gè)機(jī)體部件（包含裝配圖）

（1）機(jī)翼

機(jī)翼采取曲面，空氣動(dòng)力性能好1）機(jī)翼：機(jī)翼面積大，所受升力大;采用流線型，空氣動(dòng)力性能好，阻力小，提高速度和航程。

（2）電機(jī)固定座

電機(jī)固定座：制作木機(jī)，，但電機(jī)安裝已不能用常規(guī)方法。本方案電機(jī)固定座采取與機(jī)翼結(jié)合的方法，安全穩(wěn)定。

（3）運(yùn)載與投放裝置

投放裝置：在兩邊設(shè)置兩個(gè)對(duì)稱投放環(huán)，一，保持重心在中間位置，不會(huì)造成飛行和投放過程失穩(wěn)。二，運(yùn)載量大，效率高。投放靈巧，底部由舵機(jī)固聯(lián)擋桿，到達(dá)指定位置后，旋轉(zhuǎn)舵機(jī)，由此使小球投放，快速精確。三維建模示意圖如圖所示

（4）起降支撐支架

機(jī)型由多碳棒支撐，使用等大立方體小木塊，將木棒固定連接起來，提高碳棒間的聯(lián)系，受力更加均勻，大大地吸收降落時(shí)的沖擊載荷，保護(hù)整體機(jī)身。

4 飛行控制原理

（1）螺旋槳的差速偏航控制：該無人機(jī)采用雙螺旋槳提供動(dòng)力，在平飛狀態(tài)下通過遙控器混控讓兩支螺旋槳擁有一定的速度差，使得兩側(cè)流經(jīng)的氣流速度不一樣，從而讓機(jī)身在水平方向進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而減小了轉(zhuǎn)彎半徑，提高了機(jī)動(dòng)性能。

（2）垂直與平飛姿態(tài)之間的互相轉(zhuǎn)換：在垂直飛行的狀態(tài)下，通過操縱舵機(jī)控制副翼偏轉(zhuǎn)一定的角度，使得流經(jīng)的空氣朝一方偏移，推動(dòng)飛機(jī)機(jī)身進(jìn)行翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于使用飛控進(jìn)行輔助控制，能在飛機(jī)受到外界氣流干擾時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)舵面轉(zhuǎn)向來調(diào)節(jié)飛機(jī)姿態(tài)，從而使得本機(jī)在垂直與水平姿態(tài)及其相互轉(zhuǎn)換時(shí)都能保持穩(wěn)定，降低了對(duì)操作人員的技術(shù)要求，同時(shí)也避免了可能因轉(zhuǎn)換引發(fā)的意外。

5 結(jié)語

本項(xiàng)目據(jù)市場(chǎng)需求進(jìn)行改進(jìn)現(xiàn)有市面上的無人機(jī)，制作出了現(xiàn)在的垂直起降無人機(jī)，實(shí)用性更高，適用范圍更廣，采用不同種機(jī)型進(jìn)行優(yōu)化改良，利用三維建模技術(shù)驗(yàn)證理論可行性，再實(shí)際制作進(jìn)行下一步的調(diào)整，滿足了市面上一些對(duì)于此方面無人機(jī)的需求。

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