宋文杰，羅子樂

（北京理工大學珠海學院，廣東珠海519000）

1 無人機結(jié)構(gòu)具體設(shè)計

1.1 確定需求

優(yōu)先實現(xiàn)無人機的基礎(chǔ)功能，在基礎(chǔ)功能的基礎(chǔ)上完善功能，提高對應功能的效率、穩(wěn)定性，并進行迭代優(yōu)化；應具有靈活的機動能力，穩(wěn)定的輸出能力，能與其他自動化設(shè)備進行配合，從而達到工業(yè)生產(chǎn)的最優(yōu)化。經(jīng)機型確定，此無人機總重接近10kg，針對1臺四旋翼無人機，其技術(shù)要求如下：（1）單軸拉力需超過2.5kg；（2）結(jié)構(gòu)自身可以承受117.6N凈應力（為保證良好的極限強度，最大飛行載荷情況一般為自身載荷的 120%）。

1.2 標準件選型

1.2.1 動力系統(tǒng)的選型

根據(jù)單軸拉力為2.5kg的技術(shù)要求，首先，確定選擇運用直流無刷電機。由此，引入一個無刷電機的數(shù)學模型：

式中，Ra為電機內(nèi)阻；U為電機兩端電壓；I為通過電機的電流；Kv為電機每增加單位伏特電壓，電機單位時間內(nèi)增加的轉(zhuǎn)速；Km為電機扭矩；N為電機轉(zhuǎn)速，r/min；Mem為電機的電磁扭矩。這個公式的理解是：電機的端電壓分為2部分：一部分是Ra，為內(nèi)阻乘上電流，即傳統(tǒng)意義的歐姆定律；另一部分是轉(zhuǎn)速除以c值，即與轉(zhuǎn)速成正比，與Kv成反比。通常經(jīng)驗估算的電機轉(zhuǎn)速等于Kv值乘上電壓，忽略了內(nèi)阻的近似情況。

電機的輸出扭矩為：

Kv的單位為r/（min·V），Km的量綱是N·m/A，在國際單位制下電機的Kv與Km滿足關(guān)系：

可以這樣理解：Kv越小，電機的扭矩越大，單位電流所能提供的扭矩就越大。而這個輸出的扭矩也由2部分組成：一部分是克服自身阻力的扭矩，這部分就是電機有空載電流的原因；另一部分是輸出給螺旋槳的轉(zhuǎn)矩。如果在飛行試驗中電子設(shè)備過熱，電機或電調(diào)負載過大，需要更換低Kv值電機。需要選擇一款高扭矩，低轉(zhuǎn)速的直流無刷電機。此時初步擬定采用4114電機進行試驗，試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 電機數(shù)據(jù)及力效與拉力關(guān)系

如圖1所示，此電機的力效比、需求電壓、以及配合1550槳的單軸拉力基本符合設(shè)計需求，故選擇4114電機作為此飛行器的動力電機。

1.2.2 電氣系統(tǒng)的選型

選用4114無刷直流電機，根據(jù)電機自身參數(shù)，電子調(diào)速器需有良好的負載能力，根據(jù)無刷電機特性其也需進行脈寬調(diào)制即提供PWM信號進行電機閉環(huán),選擇40A無刷電機電子調(diào)速器。因4114電機選用24V電壓，初步選定24V 100W·h 6s電池，此容量的優(yōu)勢在于：不損失無人機動力的前提下，最大限度地保證無人機續(xù)航性要求，同時，自身質(zhì)量較輕，適用于移動平臺。

1.2.3 增穩(wěn)系統(tǒng)的添加與控制

在懸停時，若開環(huán)控制，由于一些不可控的外界因素，四旋翼會晃動，穩(wěn)定性不能滿足要求。故本機型搭載Px4flow模塊測速（以下簡稱光流模塊），光流模塊通過I2C的通信協(xié)議與飛控通訊。利用光流模塊返回的位置信息或者速度信息形成一個閉環(huán)控制，即可實現(xiàn)定點。

閉環(huán)控制分為2種，即速度閉環(huán)和位置閉環(huán)。通過光流模塊將x和y方向的速度返回，保證x和y方向的速度為0，消除晃動，增強穩(wěn)定性，此類稱之為速度閉環(huán)。另一種方式為位置閉環(huán)控制，將x和y的位置變換返回，形成一個位置閉環(huán)，保證x和y方向的位置變化為0。從而確定位置目標。

當目標物體在攝像機前運動或者攝像機在環(huán)境中移動時，目標圖像是在發(fā)生變化的，圖像灰度模式的表面運動就稱為光流。通過檢測圖像中光點和暗點的移動判斷圖像中像素點相對于飛行器的移動速度。

1.3 系統(tǒng)框圖

圖2 大載荷多旋翼無人機系統(tǒng)框圖

無人機硬件系統(tǒng)分布圖如圖2所示，此系統(tǒng)采用n3飛控，其采用內(nèi)置雙IMU冗余設(shè)計，通過2塊IMU互相校準，提升飛行器可靠性；增添輔助光流穩(wěn)定系統(tǒng)通過對地面的光識別對飛控進行正反饋調(diào)節(jié)，從而達到增穩(wěn)效能。

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.4.1 CAD結(jié)構(gòu)設(shè)計

本款飛機以碳纖維高抗拉結(jié)構(gòu)為主，中間采用鋁合金構(gòu)件以增加強度，具體加工工藝以普銑加工、普車加工、數(shù)控車床加工3種加工方式為主。無人機結(jié)構(gòu)的整體構(gòu)型使結(jié)構(gòu)主承力框架、次承力件和設(shè)備安裝支架等承載環(huán)節(jié)實現(xiàn)整體化構(gòu)造、采用一體化布局和緊湊性、輕量化構(gòu)型設(shè)計，最大限度地減少了結(jié)構(gòu)的工藝分離面，省去了受限于制造工藝而添加的過渡輔助結(jié)構(gòu)特征和連接件，大幅提高了結(jié)構(gòu)的完整性。當前，結(jié)構(gòu)承載性能已經(jīng)可以完成防熱、減振、降噪、隔電等多種效能。通過多處結(jié)構(gòu)件設(shè)計，完美地達到了適航性與續(xù)航性的要求。

1.4.2 機體應力分析

圖3為針對此飛機的下層夾層板進行的應力分析，下層夾層般選用的是高強度3000絲碳纖維材料，以東麗碳纖維為例，其抗拉強度為4200MPa，拉伸模量為240GPa，延伸度為1.8%，充分說明此種材料有較強的剛度強度。同時，其電阻率為1.6×10-3Ω·cm，其絕緣性能較弱，故在裝配電子元件時，應配合3m膠等絕緣材料進行裝配，從而保證電子元件的各項工作性能完好。

如圖3所示，在飛行過程中，機體受到約110N的力，由碳纖維結(jié)構(gòu)提供支撐力。故，運用Siumulation進行應力分析。在滿足足夠精度的條件下，應選擇較大的網(wǎng)格，這樣能夠減少計算時間，降低對計算機性能的要求。由圖3可知，最大應力為2.085×106N/m2，最大屈服應力為 4.168×106N/m2。

圖3 結(jié)構(gòu)主層板的靜應力分析圖示

1.5 人機工程優(yōu)化

1.5.1 發(fā)現(xiàn)問題

經(jīng)過設(shè)計及分析，該飛機在調(diào)試及裝配過程中存在以下缺點：（1）更換電路板調(diào)試時，需要重新弄制作接口；（2）更換電路板時，程序需要大量進行修改；（3）更換電路板時，會出現(xiàn)短路、短接等問題；（4）在調(diào)試過程中，有部分元器件、傳感器出現(xiàn)接觸不良的情況；（5）更換電路板時，出現(xiàn)引腳不夠使用的情況；（6）電子元件走線過程中，由于沒有整體性思想，電子元件排布較為混亂，電子元件中存在線路干涉，對無人機適航性有一定影響[1]。

1.5.2 分析原因

制作電路板時，沒有指定一套統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)范。在接口、封裝、引腳使用上都需要進行一定的規(guī)范。重要?？斓慕涌谛枰B接穩(wěn)定，防止元器、傳感器出現(xiàn)接觸不良的情況。沒有提前預留一些備用引腳，在需要使用新的引腳時，無法使用。

1.5.3 解決方案

通過分析，提出以下解決方案：（1）電路板均采用STM32F405RGT6，相比427成本較低，滿足使用需求；（2）電源取電統(tǒng)一使用 XT30-公頭，供電使用 XT30-母頭；（3）除基本需求，設(shè)計板子時預留引腳，功能為PWM、ADC方便進行調(diào)試；（4）為減少嵌入式更換電路板時的代碼修改量，引腳盡量不進行修改，機器人中常用的串口通信部分進行規(guī)范規(guī)定每個串口的固定位置。

2 結(jié)語

通過對無人機載重能力的增強，其自身航程遠、可操作性強、安全性高等優(yōu)點進一步顯現(xiàn)出來，工業(yè)無人機的技術(shù)瓶頸主要體現(xiàn)在續(xù)航時長、載荷重量、可靠性以及作業(yè)半徑上，尤其是續(xù)航時長和載荷重量上面臨著較為艱難的技術(shù)困境，現(xiàn)有的工業(yè)無人機性并不能完全在上述幾個方面滿足行業(yè)領(lǐng)域的應用。

但隨著行業(yè)企業(yè)在技術(shù)研發(fā)投入上不斷提高，行業(yè)技術(shù)瓶頸的解決是未來幾年內(nèi)極有可能發(fā)生的事。屆時，長續(xù)航、高荷載產(chǎn)品將成主流，最大程度地滿足客戶對續(xù)航能力、高荷載的需求。同時，未來隨著工業(yè)無人機應用領(lǐng)域的拓展和深入，行業(yè)對工業(yè)無人機的作業(yè)半徑、遙控距離都會提出更高的要求，將促使行業(yè)產(chǎn)品向更長距離遙控、更高清晰度圖傳的方向發(fā)展。工業(yè)無人機平臺也將發(fā)揮更大的作用，以便實現(xiàn)工業(yè)無人機在中轉(zhuǎn)站進行充電、調(diào)整等，可極大地延長工業(yè)無人機的工作時間，節(jié)約成本，提升產(chǎn)能。