周樂

摘? ?要：多旋翼無人機因其比傳統(tǒng)飛行器體積小、操控簡單、飛行成本低等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于影視航拍、新聞媒體、交通管理、飛行表演、農(nóng)業(yè)植保、電力巡線、測繪等領(lǐng)域。文章主要介紹了多旋翼無人機動力系統(tǒng)的幾種實現(xiàn)形式，通過內(nèi)燃機、鋰電池、燃料電池鋰電池混合動力3種驅(qū)動形式的動力系統(tǒng)示意圖分別簡述其工作原理和優(yōu)缺點。

關(guān)鍵詞：多旋翼無人機;動力系統(tǒng);混合動力;燃料電池

1? ? 多旋翼無人機發(fā)展

自20世紀(jì)20年代出現(xiàn)多旋翼無人機以來，四旋翼無人機已有近90年的發(fā)展歷程[1]，然而，由于多旋翼飛行器的飛行效率并不高，并且受到過去技術(shù)發(fā)展水平的限制，多旋翼無人機的穩(wěn)定性設(shè)計非常差，容易受到氣流擾動和碰撞的影響，其有效載荷很小，并且由于當(dāng)時有關(guān)人員沒有強調(diào)控制困難和缺乏實用性[2]，缺乏設(shè)備組件的集成，機體太笨重。在21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是高新技術(shù)的發(fā)展、算法控制的出現(xiàn)、傳感器的小型化等，使得多旋翼無人機再次受到人們的關(guān)注，越來越多國家的科研機構(gòu)高等院校以及高新技術(shù)企業(yè)開始重視這一行業(yè)。

1.1? 國外多旋翼無人機發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀

為了成功實現(xiàn)飛行，許多國外工程師試圖在設(shè)計的多旋翼飛機上安置各種飛行動力。如早在20世紀(jì)20年代，法國C.Richet教授就設(shè)計了一架小的直升機，盡管結(jié)果不成功，但這一舉動卻激發(fā)了他的學(xué)生Breguet的興趣，1907年，Breguet兄弟開發(fā)出世界上第一臺36.7 kW內(nèi)燃機驅(qū)動的“Breguet-Richet Gyroplane No.1”多旋翼飛機，1907年8月24日，在法國北部杜埃，“Breguet-RichetGyroplane No.1”號多旋翼飛機首次試飛，在試飛時，飛機高出地面0.61 m，徘徊了將近1 min[3-6]。

在小型多旋翼無人機的研究領(lǐng)域，由美國Draganflyer公司開發(fā)的名為“Draganflyer Ⅲ”的多旋翼無人機，其主體材料為高性能塑料和碳纖維復(fù)合材料，高度為18 cm，整機重481.1 g，旋翼直徑28 cm，整個無人機可負(fù)載113.2 g，驅(qū)動電池可以提供大約16～20 min的連續(xù)飛行，并且其4個電機轉(zhuǎn)速可以通過飛控設(shè)備來控制，“Draganflyer Ⅲ”還有3個陀螺儀來控制其姿態(tài)穩(wěn)定[7]，這可以提高整體飛行的穩(wěn)定性。

雖然微型多旋翼無人機的研究取得了成果，國外對工業(yè)級多旋翼無人機和載人多旋翼飛行器的研究也在持續(xù)進行，例如，在德國，名為“E-vovo”的公司開發(fā)了一種名叫“VC200”的載人多旋翼飛機，它的機身主要由超輕碳纖維的復(fù)合材料制成，這種多旋翼飛機可以飛行約20 min[8]。

1.2? 國內(nèi)多旋翼飛行器的發(fā)展與研究現(xiàn)狀

在消費級多旋翼無人機的開發(fā)過程中，東莞銀輝玩具有限公司開發(fā)了一種電動四旋翼無人機，該機的主體材料由聚丙烯塑料發(fā)泡材料制成，其機身長度為68.5 cm，高度為14 cm，該機的動力系統(tǒng)是一個電力驅(qū)動的系統(tǒng)[9]。

創(chuàng)立于2006年的大疆創(chuàng)新科技有限公司，是一家研發(fā)、生產(chǎn)、銷售多旋翼無人機的獨角獸企業(yè)，它的產(chǎn)品涵蓋了消費級多旋翼無人機、工業(yè)級多旋翼無人機以及無人機任務(wù)掛載設(shè)備。該公司發(fā)布的多類型多旋翼無人機已經(jīng)廣泛應(yīng)用于全球各地，例如DJI公司最近于2018年8月23號發(fā)布的“御”Mavic 2系列無人機，“御”Mavic 2系列多旋翼無人機屬于大疆航拍系列第5代消費級多旋翼無人機，該無人機裝配有專業(yè)相機，能實現(xiàn)8 km高清圖傳，具有左、右、上、下、前、后6個方向的避障飛行功能[10]。

2? ? 多旋翼無人機系統(tǒng)組成

無人機系統(tǒng)（Unmanned AeriaI System，UAS）由地面部分和空中部分組成。（1）地面部分，包含地面站、數(shù)傳電臺，圖傳電臺、遙控器。其中，地面站由指揮處理中心、無人機控制站、載荷控制站3部分組成。（2）空中部分，包含飛機和任務(wù)載荷[11]，空中部分的飛機指多旋翼無人機，通過每個軸上的電動機或者內(nèi)燃機旋轉(zhuǎn)驅(qū)動以產(chǎn)生向下的推力使多旋翼無人機垂直飛離地面，它是一種特殊的直升機。多旋翼無人機包括動力裝置、控制系統(tǒng)、機械部件、數(shù)據(jù)傳輸裝置、無人機任務(wù)載荷和遙控器。

2.1? 動力裝置

多旋翼無人機動力裝置的主要作用是為無人機的飛行提供動力，主要包括電動機或者內(nèi)燃機、電子調(diào)速器、螺旋槳和電池4個部分[12]。（1）電動機或者內(nèi)燃機，負(fù)責(zé)將電能或者化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能，目前，多旋翼無人機的電動機以無刷直流電機為主，內(nèi)燃機以四沖程發(fā)動機為主。（2）電子調(diào)速器，負(fù)責(zé)將飛行控制系統(tǒng)的控制信號快速轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌须妷汉碗娏鳎钥刂齐妱訖C的速度。（3）螺旋槳，是直接產(chǎn)生推力的部件，旋轉(zhuǎn)方向分為正反兩種。（4）電池，是多旋翼無人機的能源，與多旋翼無人機的飛行距離和最大負(fù)載重量等重要指標(biāo)直接相關(guān)。對于多旋翼無人機而言，動力系統(tǒng)是其起飛階段、穩(wěn)定飛行階段、降落階段的核心硬件。

2.2? 控制系統(tǒng)

通過多旋翼無人機所配置的姿態(tài)傳感器、氣壓計、加速度計甚至雷達(dá)及視覺傳感來接收信號。接收的信號進入中央處理器，中央處理器里的飛行控制算法和程序進行信號處理來穩(wěn)定多旋翼無人機的飛行姿態(tài)。在GPS模式下通過路線規(guī)劃或者自主返航可實現(xiàn)飛機的自主、半自主飛行。

2.3? 機械部件

機械部件是多旋翼無人機的結(jié)構(gòu)支撐體，一般由輕型材料切割、裝配、加工而成，除了用于安裝機臂、負(fù)載設(shè)備、飛控等設(shè)備外，還用于多旋翼無人機起降時支撐，通常還加裝一些橡膠件起到減緩降落沖擊作用。

2.4? 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備

將各種類型的數(shù)據(jù)（例如無人機拍攝的圖片和視頻）無線傳播到數(shù)據(jù)接收設(shè)備。

2.5? 任務(wù)載荷

多旋翼無人機根據(jù)執(zhí)行的任務(wù)需要，搭載不同的任務(wù)載荷，如影視航拍設(shè)備、新聞媒體播報設(shè)備、交通管理設(shè)備、飛行表演設(shè)備、農(nóng)業(yè)植保設(shè)備、電力巡線設(shè)備、測繪設(shè)備等。同時，遙控器用于無線實時控制多旋翼無人機。

3? ? 內(nèi)燃機動力系統(tǒng)

多旋翼無人機內(nèi)燃機動力系統(tǒng)由活塞式航空發(fā)動機、燃油供給系統(tǒng)、電噴系統(tǒng)等組成?；钊娇瞻l(fā)動機是一種四沖程、由火花塞點火的發(fā)動機，工作原理如圖1所示。

燃油供給系統(tǒng)由以下部分（見圖2）組成：①為油泵支架;②為油泵;③為泄壓閥;④為燃油濾清器;⑤為1號直通快插接頭;⑥為2號直通快插接頭;⑦為一分六分油器;⑧為供油盒下盒;⑨為供油盒上盒;⑩為供油盒油濾蓋。

電噴系統(tǒng)由以下部分組成：①為電噴主體;②為電噴嘴支架;③為發(fā)動機空濾;④為舵機;⑤為舵機搖臂;⑥為球頭拉桿;⑦為電噴嘴;如圖3所示。

采用內(nèi)燃機動力的無人機續(xù)航時間長，一般可以達(dá)到1～4 h，且加注燃油方便快捷，動力系統(tǒng)強勁有力，非常適合植保作業(yè)，有利于農(nóng)藥的下沉擴散。但是該動力系統(tǒng)長時間工作穩(wěn)定性差，容易出現(xiàn)供油不足甚至油泵損壞，而且發(fā)動機的維護保養(yǎng)專業(yè)性強，一般操作人員難以正確使用和維護，維護所需工具繁多，一旦出現(xiàn)炸機，修復(fù)成本高，更換發(fā)動機耗時過長。

4? ? 鋰電池動力系統(tǒng)

鋰電池動力系統(tǒng)通常包括鋰電池、ESC、電機、螺旋槳等，鋰電池多旋翼無人機結(jié)構(gòu)如圖4所示。

鋰電池動力系統(tǒng)相較于其他動力系統(tǒng)體積更小、重量更輕，尤其是目前鋰電池技術(shù)發(fā)展迅速，單位體積能量密度越做越大，有利于多旋翼無人機的設(shè)備布置，增加任務(wù)負(fù)載的掛載位置。目前，很多鋰電池在功能上設(shè)計成插拔式，大大提升了換電速度，提高了作業(yè)效率。但是目前鋰電池的續(xù)航時間基本沒有超過1 h，平均續(xù)航時間沒有超過30 min，在進行遠(yuǎn)距離或者長時間飛行任務(wù)時，往往需要頻繁地返回起飛點更換電池，影響飛行任務(wù)的完成實效性甚至無法完成飛行任務(wù)，同時，頻繁地更換電池導(dǎo)致需要儲備較多電池，使得整機的購買成本大大上升，考慮到鋰電池的使用壽命一般只有3年左右，使得無人機的使用成本比較高。

5? ? 燃料電池鋰電池混合動力系統(tǒng)

燃料電池組成高電壓大功率系統(tǒng)，實現(xiàn)無人機系統(tǒng)效率和續(xù)航時間的提升，從而提升了系統(tǒng)的飛行半徑和掛載能力。采用高可靠性、節(jié)能型的高電壓動力系統(tǒng)，進一步提高了系統(tǒng)的效率。高壓動力系統(tǒng)采用矢量控制技術(shù)，進一步提高了系統(tǒng)的飛行性能。最大起飛重量可以達(dá)到100 kg，最大有效載荷可以達(dá)到20 kg，抗風(fēng)等級可以達(dá)到12 m/s，可以連續(xù)地將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能而不受卡諾循環(huán)的限制。

燃料電池是一種直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機。是利用燃料發(fā)電的最高效方式，整個反應(yīng)沒有燃燒過程，沒有任何有害物質(zhì)排放，幾乎沒有噪音，也不需要維護，可以直接使用天然氣、甲醛、氫氣。但是燃料電池反應(yīng)過程不能快速變化，即電機無法實現(xiàn)快速地變換轉(zhuǎn)速，所以整個動力系統(tǒng)還需并聯(lián)鋰電池進行電流的補充。實現(xiàn)多旋翼無人機的起飛以及快速機動。

該混合動力系統(tǒng)中燃料電池使用的是質(zhì)子交換膜型燃料電池，質(zhì)子交換膜燃料電池是一種低溫燃料電池，采用空氣作為氧化劑，能量轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到40%～60%，明顯高于內(nèi)燃機的能量轉(zhuǎn)化效率，而且在常溫下啟動快、壽命長、無污染。燃料電池鋰電池混合動力無人機，具有以下優(yōu)勢：

（1）高電壓電子調(diào)速系統(tǒng)針對大慣量、長航時特性飛行平臺設(shè)計，擁有強可靠性和節(jié)能型等優(yōu)勢。

（2）完成高電壓電子調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計驗證、老化和產(chǎn)品化等工作，符合模塊化設(shè)計需求，可以滿足多種同類型產(chǎn)品的需求。

（3）達(dá)到高可靠性，滿足工業(yè)、軍工、反恐等特殊需求。

（4）高節(jié)能型，有效延長飛行器續(xù)航時間，并且減少功率器件額外能量損耗，有助于提高可靠性。

但該動力系統(tǒng)體積大，燃料電池造價昂貴，加注氫氣不夠便捷。

6? ? 結(jié)語

多旋翼無人機的經(jīng)濟性指標(biāo)、動力性、成本、用途、續(xù)航時間等在無人機設(shè)計之前會有一些共性的要求，比如長續(xù)航、載重量大、能量源加注快等，而鋰電池動力系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于消費級和工業(yè)級多旋翼無人機。目前，該行業(yè)面臨一個共同瓶頸就是飛行時間短，當(dāng)需要長時間飛行時，必須儲備較多電池，間接導(dǎo)致飛行成本增加，而隨著燃料電池技術(shù)的成熟，批量生產(chǎn)后燃料電池的價格未來將大大降低，燃料電池鋰電池混合動力在多旋翼無人機上的應(yīng)用將大大延長多旋翼無人機續(xù)航時間，減少能量源加注次數(shù)和加注時間，大大提升多旋翼無人機作業(yè)效率。

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