任帥　鞏子瑜　劉兆鵬　史思楊

摘 要：針對市面上小型四旋翼單次續(xù)航時間不足、工作效率低，成本太高等缺點，設(shè)計和實現(xiàn)一款長航時四旋翼無人機，可搭載1～3公斤的工作平臺，可折疊，運輸方便，可進行高機動飛行動作，能適應(yīng)多種不同場地的工作任務(wù)，搭配的高效率動力系統(tǒng)能實現(xiàn)單次飛行時間不低于60分鐘，可解決市面上多數(shù)旋翼機續(xù)航時間不足的問題。四旋翼無人機的動力系統(tǒng)的選擇會直接影響到最后續(xù)航時間的長短，本設(shè)計的重點針對不同的動力系統(tǒng)進行選擇和測試，通過對動力系統(tǒng)各部件參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，得出適合長航時無人機的動力搭配，再通過地面測試臺進行對比分析驗證，給出最優(yōu)的動力系統(tǒng)搭配。運用CATIA、CAD、ANSYS等設(shè)計分析軟件，完成對四旋翼無人機的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：四旋翼無人機;飛行性能;續(xù)航時間;動力系統(tǒng);優(yōu)化設(shè)計

1 引言

隨著科技的發(fā)展進步，無人機的行業(yè)應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注，特別針對小型四旋翼無人機，其憑借經(jīng)濟性，便攜性，可垂直起降，安全性和可靠性而被廣泛的運用在人們的生活之中[1-2]。目前市場上做消費級及工業(yè)級無人機很有競爭力的公司大疆創(chuàng)新在四旋翼無人機的續(xù)航方面做了很多改進，但仍有可進一步優(yōu)化的空間[3]。

本文采用更輕質(zhì)的復(fù)合材料，根據(jù)電機螺旋槳與動力系統(tǒng)的搭配情況擇優(yōu)設(shè)計，綜合考慮電池的重量，效率和壽命，并對電池進行重新設(shè)計組裝，以搭配設(shè)計好的動力系統(tǒng)。選擇最合適的無刷電機符合飛行任務(wù)的動力系統(tǒng)，優(yōu)化電子調(diào)速器，以求動力系統(tǒng)達到最優(yōu)化的預(yù)期效果。

2 旋翼無人機設(shè)計

2.1旋翼動力系統(tǒng)設(shè)計

用Itcch8816系列電子負載對鋰離子電池進行放電實驗測試[4]。根據(jù)優(yōu)化得出的動力系統(tǒng)和鋰離子電池放電時間的計算模型，最后求出該四旋翼無人機設(shè)計的航時目標不低于60分鐘， 電池所需的最小容量 =175000mAh，選用單個索尼18650電池的容量為3000mAh，則至少需要該18650電池的個數(shù)為N=59。

通過電機測試臺得到的一系列數(shù)據(jù)表明MAD 5008 170kv電機具有很好的長航時特性，良好的散熱性能，很高的轉(zhuǎn)化效率。為了和其他電機進行對比分析，我們將它與其它電機進行了地面測試，作出了電機力效對比圖。如圖1所示。并為此電機選擇搭配22寸螺旋槳，XRotor micro 35A BLHeli電調(diào)。

為了更好的連接整個動力系統(tǒng)，本文將60塊18650鋰電池分成6組，每組10塊，每組的10塊并聯(lián)，然后分成的6組串聯(lián)起來，這樣便可以形成一塊6s電池，以滿足電機所需的輸入電壓。電池首先與電調(diào)串聯(lián)，然后再與電機串聯(lián)。

2.2 旋翼結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計中心板及飛控隔板，為減輕結(jié)構(gòu)重量，進行鏤空處理。中心板上下蓋板之間用40mm的7075鋁柱進行連接，如圖2所示。

四旋翼無人機的軸距為1188mm，機臂長度為500mm。電池盒最后將裝在中心板的中間，通過飛控隔板支撐。

3結(jié)構(gòu)仿真分析

為了驗證四旋翼無人機的機臂是否滿足強度要求，本文對機臂建立靜力學(xué)模型，通過ANSYS分析軟件對整個機臂結(jié)構(gòu)受力進行驗證，確保無人機在飛行工作過程中的安全與穩(wěn)定。導(dǎo)入機臂模型。

導(dǎo)入后進行網(wǎng)格劃分，然后對機臂模型施加約束，最后施加作用力，即可進行結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析。如圖3是ANSYS對該機臂的靜力學(xué)分析結(jié)果，可以看出力大小的分布，從外形來看，機臂有彎曲的趨勢，彎曲形變不明顯，在靠近兩根碳桿的地方力最小，形變量最小，從而可以推斷機臂傳遞給機身中心板的力矩很小，不會對整個機身產(chǎn)生大的形變量，從而確保了整架飛機在飛行過程中的穩(wěn)定性。

4? 無人機制作

中心板由碳纖維復(fù)合材料制作，其中與機臂連接處的鋁柱區(qū)別于其他鋁柱的地方在于中間開了圓孔，便于碳桿固定。圖4是上下蓋板合上后形成的機身盒式結(jié)構(gòu)。

要使電機安裝在機臂上，需要設(shè)計一個電機座，使電機先固定在電機座上，然后再將電機座與機臂固定，在電機座的選材上，本文采用3D打印技術(shù)制作電機座。

動力系統(tǒng)與機身結(jié)構(gòu)的組裝主要包括電池的安裝，電機與電調(diào)的安裝，電調(diào)與電池的安裝。其中電池是安裝在一個電池盒中，電池盒安裝在機身中心板的中間，電池盒的底部會伸出兩個插口，對應(yīng)中心板下蓋板上的兩個插口，四個電機與電調(diào)串聯(lián)起來，一一對應(yīng)，最后四根電調(diào)延伸出來的延長線將分成兩組，分別焊接在兩個下蓋板的插口上，當(dāng)電池盒安裝進機身中心板后，便實現(xiàn)了電池與電調(diào)的接通，從而對整個動力系統(tǒng)進行供電。

本文設(shè)計的無人機起落架是一個上端開孔，下端支撐的結(jié)構(gòu)，開孔的目的在于方便與機臂套接在一起，下端主要起支撐作用，使無人機在降落或者停在路面上時，讓中心板下蓋板和電機遠離地面，防止刮擦損傷。起落架選擇的制作工藝是3D打印，這樣既可以保證結(jié)構(gòu)強度，也能減輕結(jié)構(gòu)重量。

5 結(jié)論

本文從提高無人機續(xù)航時間的角度出發(fā)，分析國內(nèi)外旋翼機續(xù)航現(xiàn)狀，針對無人機的動力系統(tǒng)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)計算模型，根據(jù)所要達到的參數(shù)指標，求解出相應(yīng)的參數(shù)值，然后選擇最優(yōu)的搭配方案，對動力系統(tǒng)進行地面測試，測出效率最高點對應(yīng)的電流電壓值，根據(jù)電流電壓值進一步優(yōu)化動力系統(tǒng)搭配方案，確認動力系統(tǒng)的選擇后針對各個動力系統(tǒng)的部件以及無人機飛行過程中的受力狀況，設(shè)計優(yōu)化無人機的機身結(jié)構(gòu)，以達到結(jié)構(gòu)具有足夠的強度，同時質(zhì)量很輕的要求。在最終的試飛過程中，整架飛機單次續(xù)航時間超過60min，實現(xiàn)了最初的長航時要求，同時降低了制作成本和維護成本，達到了課題研究目的，為小型四旋翼無人機的發(fā)展提供了一些數(shù)據(jù)支持。

參考文獻：

[1]張紅崗.多旋翼無人機的應(yīng)用[J].農(nóng)電管理，2018（08）：43.

[2]李博，李小民，楊森.美國四旋翼無人機研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].飛航導(dǎo)彈，2018（02）：25-30.

[3]聶博文，馬宏緒，王劍，王建文.微小型四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].電光與控制，2007（06）：113-117.

[4]鐘良濤，黃琦夢，代杰.多旋翼無人機用鋰電池組電源管理系統(tǒng)設(shè)計[J].電源世界，2019（01）：28-30.

本項目由研究生科技創(chuàng)新基金資助 項目號：2017012091.