鄭建樂 張保澤 裴榮紅 李冀幸 張騫月

摘 要：在現(xiàn)階段無人機(jī)技術(shù)十分成熟，但是仍有些限制性因素得不到解決，本文就介紹了一種適用于對(duì)地偵查與打擊項(xiàng)目的矢量電機(jī)控制系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)原理、制作工藝；及其與傳統(tǒng)前拉式飛機(jī)和雙發(fā)動(dòng)機(jī)差速轉(zhuǎn)向飛機(jī)相比的優(yōu)勢(shì)以及發(fā)展前景與實(shí)際應(yīng)用。使用這種系統(tǒng)完全代替飛機(jī)的方向舵，利用矢量轉(zhuǎn)向代替方向舵轉(zhuǎn)向，起到飛機(jī)平飛轉(zhuǎn)向的目的，同時(shí)避免了方向舵轉(zhuǎn)向時(shí)飛機(jī)發(fā)生側(cè)滾的現(xiàn)象，而且轉(zhuǎn)向效率比相同情況下使用方向舵提高了45%左右。

關(guān)鍵詞：矢量控制；對(duì)地偵察與打擊；方向舵；擾動(dòng)阻力

無人機(jī)是一種由編碼程序代替人工控制或者由無線電遙控來控制飛行的飛行器。上個(gè)世紀(jì)30年代最早出現(xiàn)，但是由于受到科技水平、制造水平、控制系統(tǒng)、材料等一系列的限制性因素的限制作用，無人機(jī)并沒有被廣泛的研究和應(yīng)用。但隨著科學(xué)技術(shù)不斷地進(jìn)步與革新，包括材料、集成電路、空氣動(dòng)力學(xué)、工程力學(xué)以及制造業(yè)的發(fā)展，無人機(jī)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)也被逐漸的重視起來。而在現(xiàn)階段，人工智能和無人機(jī)的協(xié)作是現(xiàn)代無人機(jī)的發(fā)展方向和趨勢(shì)，無人機(jī)以其制造運(yùn)營成本低、人員傷亡低、工作效率高等諸多優(yōu)勢(shì)也被越來越多的應(yīng)用于國防、勘探、救援、娛樂等領(lǐng)域中，而且無人駕駛技術(shù)也越來越多的被各個(gè)國家重視。隨著無人機(jī)的發(fā)展，也出現(xiàn)了很多可以革新或者改進(jìn)的工藝以及理念。以固定翼飛機(jī)為例，飛過固定翼的飛手普遍有一種感覺，就是很多的固定翼飛機(jī)的方向舵舵效不明顯，即想要利用方向舵轉(zhuǎn)向往往需要很長時(shí)間和較大的空域，很不靈活，然而我們又不能一味的加大方向舵的舵面或者行程量，那樣會(huì)使整個(gè)飛機(jī)的比例很不協(xié)調(diào)。本文就提出了一種由矢量電機(jī)的控制系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)牽拉式電機(jī)的理念，同時(shí)取消方向舵，旨在解決傳統(tǒng)固定翼無人機(jī)使用方向舵在水平方向上的轉(zhuǎn)向不靈敏問題。

一、矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

矢量控制系統(tǒng)是將飛機(jī)方向舵取消，通過一個(gè)矢量電機(jī)座將電機(jī)和舵機(jī)連接起來安裝在機(jī)身上，再利用舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來控制電機(jī)的左右轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變電機(jī)提供的拉力方向（即拉力線）或推力方向，通過拉力線或者推力線方向的改變，進(jìn)而控制飛機(jī)的左右轉(zhuǎn)向。取消方向舵舵面，然后將舵面和垂尾固定在一起形成新的垂直尾翼保持方向安定。本設(shè)計(jì)不僅僅適用于前拉式飛機(jī)，同樣適用于尾推式飛機(jī)。

二、固定翼無人機(jī)矢量控制系統(tǒng)制作工藝

如下圖所展示，本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)比較簡單，制作步驟簡潔。

選取的原料有：三軸飛行器尾電機(jī)座、舵機(jī)、電機(jī)、層板。

將舵機(jī)配以圓形舵角，固定在層板方盒上，將三軸尾電機(jī)座一端安裝在舵角上，另一端安裝在電機(jī)尾部，在舵機(jī)控制舵角轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過電機(jī)座的傳導(dǎo)作用，會(huì)使電機(jī)的方向發(fā)生變化，此時(shí)電機(jī)的拉力線發(fā)生變化導(dǎo)致飛機(jī)轉(zhuǎn)向。據(jù)飛機(jī)性能、舵機(jī)質(zhì)量、設(shè)計(jì)要求，合理選擇舵機(jī)類型以及轉(zhuǎn)動(dòng)行程量。矢量控制系統(tǒng)對(duì)舵機(jī)性能要求較高，建議選大扭矩金屬數(shù)字舵機(jī)，普通塑料舵機(jī)無法提供很大的扭力，同時(shí)齒輪嚙合不嚴(yán)密。并且飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮合理的機(jī)頭長度以滿足電機(jī)轉(zhuǎn)向的安全距離，防止同時(shí)可適量縮短飛機(jī)尾翼到重心的距離、縮小垂尾受力面積。

三、矢量控制飛機(jī)的優(yōu)勢(shì)

眾所周知，現(xiàn)在市面上的飛機(jī)多以固定翼和多旋翼為主。按照現(xiàn)有的設(shè)計(jì)思路，矢量控制更多的被應(yīng)用于多旋翼飛機(jī)上，以此來降低電機(jī)數(shù)量、減輕飛機(jī)質(zhì)量，可以實(shí)現(xiàn)垂直起降、定點(diǎn)懸停的要求，具有良好的低速機(jī)動(dòng)性能，并且能很好地在狹小空間內(nèi)完成精準(zhǔn)作業(yè)。但是在固定翼飛機(jī)中并沒有引入過矢量控制，那么將矢量控制系統(tǒng)引入到固定翼飛機(jī)中，尤其是引入到動(dòng)力系統(tǒng)中，將帶來生么樣的變化呢，本文將從如下幾點(diǎn)闡述矢量控制系統(tǒng)在固定翼飛機(jī)中的優(yōu)勢(shì)。

矢量控制飛機(jī)不僅僅具有傳統(tǒng)固定翼無人機(jī)的高飛行速度、高效率、航程遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)，還有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）與傳統(tǒng)飛機(jī)相比，矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)向與方向舵相比擁有更高效的轉(zhuǎn)向效率與能力。傳統(tǒng)的飛機(jī)在利用方向舵進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，飛機(jī)的轉(zhuǎn)向角速度整體一致，但是內(nèi)外兩側(cè)的機(jī)翼前進(jìn)的線速度不同，導(dǎo)致兩側(cè)機(jī)翼產(chǎn)生的升力不同，由于不平衡的升力，飛機(jī)整體會(huì)向轉(zhuǎn)向的方向發(fā)生橫滾，這與預(yù)期的目的不符，同時(shí)用這種方式進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)需要很大的空域和飛行時(shí)間，使得轉(zhuǎn)向效果不理想，此時(shí)若反打副翼可以減少甚至抵消側(cè)滾，保持飛機(jī)姿態(tài)，但是這時(shí)的飛機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)向，而發(fā)生特技飛行中的側(cè)飛。利用本設(shè)計(jì)的矢量控制系統(tǒng)通過改變飛機(jī)電機(jī)的拉力線進(jìn)行轉(zhuǎn)向，原理和使用方向舵不同，使用本設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向原理是將飛機(jī)去前進(jìn)的拉力方向改變，拉力的一部分分力使飛機(jī)的前進(jìn)方向改變，利用矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)向和利用方向舵轉(zhuǎn)彎類似也會(huì)出現(xiàn)側(cè)滾的現(xiàn)象，但是此時(shí)若利用副翼抵消側(cè)滾的效果，飛機(jī)仍有向側(cè)方向的分力，不會(huì)和使用方向舵轉(zhuǎn)向一樣發(fā)生側(cè)飛現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)水平姿態(tài)的快速轉(zhuǎn)向，在進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)之后，得出使用矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)向比方向舵轉(zhuǎn)向時(shí)的效率提升了大概45%，這對(duì)于對(duì)地偵察項(xiàng)目的飛行是極其有利的。

（2）矢量控制系統(tǒng)代替方向舵，可以減少甚至取消由于方向舵面與垂尾之間縫隙產(chǎn)生的寄生阻力。在方向舵和垂直尾翼之間的具有旋轉(zhuǎn)縫隙，由于這個(gè)旋轉(zhuǎn)縫隙的存在，飛機(jī)在飛行過程中，氣流經(jīng)過這個(gè)旋轉(zhuǎn)縫隙時(shí)，由于縫隙的擾動(dòng)作用，會(huì)在這個(gè)縫隙中產(chǎn)生渦流，同時(shí)產(chǎn)生寄生阻力（夜叫干擾阻力），由于矢量控制系統(tǒng)的引入，方向舵被取代，方向舵和垂尾組成一個(gè)整體，形成新的垂直尾翼，就可以抵消掉由于縫隙處的氣流分離產(chǎn)生的渦流導(dǎo)致的干擾阻力，增加飛機(jī)的整體性能。

（3）矢量控制系統(tǒng)代替方向舵轉(zhuǎn)向，會(huì)減少飛機(jī)的轉(zhuǎn)向時(shí)的時(shí)間，便于完成任務(wù)，減少任務(wù)用時(shí)。由于矢量控制系統(tǒng)通過改變電機(jī)拉力線可以直接控制拉力方向，再通過操縱員的飛行經(jīng)驗(yàn)或者飛控的幫助下向反方向反打副翼，使飛機(jī)在水平姿態(tài)下轉(zhuǎn)向，在對(duì)地偵查項(xiàng)目中，更加便于觀察地面目標(biāo)，同時(shí)減少轉(zhuǎn)向造成的時(shí)間浪費(fèi)，極大地降低了飛行難度和比賽難度。

（4）矢量控制系統(tǒng)與雙發(fā)動(dòng)機(jī)差速轉(zhuǎn)向無人機(jī)相比優(yōu)勢(shì)。矢量控制系統(tǒng)與雙發(fā)動(dòng)機(jī)利用兩個(gè)電機(jī)差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的方法不同，前者直接改變拉力線（或推力線）的方向，令無人機(jī)向拉力線改變的方向運(yùn)動(dòng)。使用矢量控制系統(tǒng)的飛機(jī)與雙發(fā)動(dòng)機(jī)差速無人機(jī)相比質(zhì)量更輕，這對(duì)于模型飛機(jī)來說是非常有利的，質(zhì)量輕意味著可以節(jié)省電池的消耗，同時(shí)搭載更重的荷載物；同時(shí)矢量固定翼無人機(jī)與后者相比其結(jié)構(gòu)更加簡單，方便制作。

三、發(fā)展前景

本設(shè)計(jì)的發(fā)展前景是非?？捎^的，本設(shè)計(jì)提出的是將電機(jī)在水平方向上進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，以此代替方向舵控制飛機(jī)的轉(zhuǎn)向，在操縱員的飛行經(jīng)驗(yàn)或者飛控的幫助下，實(shí)現(xiàn)平飛狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向，本設(shè)計(jì)現(xiàn)還處于初級(jí)階段，接下來的時(shí)間，我們還會(huì)去完善這個(gè)設(shè)計(jì)，相信技術(shù)成熟后，它可以極大地降低對(duì)地偵察與打擊項(xiàng)目的技術(shù)難度。

若將兩個(gè)可以上下轉(zhuǎn)動(dòng)的矢量電機(jī)均勻置于機(jī)翼兩側(cè)的重心線上，相信其可一次按成可垂直起降的固定翼無人機(jī)。將會(huì)是可以垂直起降、定點(diǎn)懸停、低速穩(wěn)定飛行的旋翼無人機(jī)和具有高效、高速飛行等特點(diǎn)的固定翼無人機(jī)的完美融合體。而且他的起飛不需要跑道，所以可以被部署到城市街道、山地丘陵等情況復(fù)雜的地域。高速巡航的能力使可這種飛機(jī)在相同的電池容量或者燃料的情況下執(zhí)行地域范圍更廣的任務(wù)，這對(duì)于動(dòng)力資源有限的無人機(jī)來說至關(guān)重要。[1]

參考文獻(xiàn)：

[1]張金雙.一種可垂直起降固定翼無人機(jī)分段控制策略研究.沈陽航空航天大學(xué)控制工程系.

基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2018114）

作者簡介：鄭建樂（1997-），河北邢臺(tái)人，就讀于河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源學(xué)院，自然地理與資源環(huán)境專業(yè)。