徐文源 夏維華 晉 猛 吳 仟 徐亞娟

(河南科技大學(xué)，河南 洛陽(yáng) 471023)

1 概述

目前國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)無(wú)人飛行器多為四軸，對(duì)于特殊領(lǐng)域還有特殊飛行器，如載重直升機(jī)。航測(cè)固定翼四軸無(wú)人飛行器研究已久，飛控算法成熟，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，而兩軸飛行器研究幾乎空白，目前正在研究?jī)奢S飛行器的公司國(guó)內(nèi)有零零科技、河南三和航空工業(yè)，國(guó)外有特斯拉，其中零零科技和特斯拉的飛行器還在研發(fā)當(dāng)中，尚未面世，河南三和航空工業(yè)的橫列雙旋翼植保機(jī)已經(jīng)面世。目前雙旋翼算法尚未成熟，主要有FAAT(Fore Aft Active Tilting 前后主動(dòng)傾擺主動(dòng)穩(wěn)定式)和OAT(Oblique Active Tilting 被動(dòng)穩(wěn)定主動(dòng)傾斜式)兩種，其中采用FAAT 俯仰不太穩(wěn)定，而對(duì)于OAT 模式研究?jī)H有Gary R. Gress 等國(guó)外研究人員發(fā)表過(guò)相關(guān)論文，資料較少。從現(xiàn)有資料來(lái)看，多旋翼市場(chǎng)巨大，產(chǎn)品需求穩(wěn)步提升；雙旋翼潛力巨大，未來(lái)可期。而制約雙旋翼發(fā)展的突出問(wèn)題主要有：飛控算法有待優(yōu)化；雙旋翼整體設(shè)計(jì)要求高，結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致飛行不穩(wěn)定；多旋翼噪聲明顯，機(jī)身震動(dòng)幅度大對(duì)云臺(tái)要求高；載重量低，機(jī)動(dòng)效率低于FAAT；不能折疊的多旋翼占用空間大。

2 基于OAT 模式的可折疊變形兩軸總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 OAT 模式研究起源

傳統(tǒng)的四軸飛行器是驅(qū)動(dòng)不足的機(jī)械系統(tǒng)，其控制輸入比自由度少，四軸飛行器的欠驅(qū)動(dòng)限制了其在自由或混亂空間中的飛行能力。為增加機(jī)械系統(tǒng)的控制輸入國(guó)外研究中有如采取多轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)(如八旋翼)但會(huì)導(dǎo)致重量增加和慣性增加，降低車(chē)輛的敏捷性的缺點(diǎn)、采用使用可變螺距的螺旋槳但存在低有效載荷，僅限單軸等限制。為此Ramirez- Serrano 教授提出了一種利用伺服電機(jī)控制雙軸傾斜使各軸獨(dú)立產(chǎn)生三驅(qū)動(dòng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助控制實(shí)現(xiàn)飛行系統(tǒng)的完全控制，該系統(tǒng)為飛行器提供了更高的敏捷性和機(jī)動(dòng)性，在狹窄室內(nèi)外環(huán)境中具有較好表現(xiàn)。

2.2 OAT 模式原理

若要理解何為OAT 模式就要先理解FAAT 模式。FAAT 外觀看屬于直線并列狀態(tài)(圖1)，形如“阿凡達(dá)·戰(zhàn)機(jī)”，前進(jìn)兩電機(jī)會(huì)向機(jī)身正前方運(yùn)動(dòng)，后退就向后方運(yùn)動(dòng)，自穩(wěn)時(shí)電機(jī)角度與運(yùn)動(dòng)方向相反保持機(jī)身位置，此結(jié)構(gòu)重心基本是動(dòng)態(tài)的，所以俯仰會(huì)不太穩(wěn)定，如圖1。

圖1 簡(jiǎn)易FAAT 模式雙旋翼

OAT 模式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含了控制產(chǎn)生俯仰力矩的橫向傾斜組件以及控制水平運(yùn)動(dòng)的縱向傾斜組件，如圖2 所示。將滾動(dòng)的電機(jī)及槳視為滾動(dòng)體，對(duì)滾動(dòng)體施加繞軸傾轉(zhuǎn)的力后滾動(dòng)體平衡將被破壞，滾動(dòng)體產(chǎn)生繞傾斜軸和平面旋轉(zhuǎn)軸慣性力矩作用，該慣性力矩分別稱(chēng)為陀螺力矩和螺旋槳力矩。通過(guò)控制伺服電機(jī)將兩個(gè)螺旋槳直接向?qū)Ψ絻A斜或遠(yuǎn)離對(duì)方，產(chǎn)生繞傾斜軸和平面旋轉(zhuǎn)軸垂直的旋翼陀螺力矩和螺旋槳力矩，從而提供所需的飛機(jī)繞該軸的控制。

圖2 國(guó)外OAT 模式原型機(jī)設(shè)計(jì)

圖2 所示為典型OAT 模式機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有控制電機(jī)繞y 軸旋轉(zhuǎn)兩個(gè)伺服電機(jī)以及控制繞x 軸旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)伺服電機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)由兩個(gè)提供升力的無(wú)刷電機(jī)及控制機(jī)身姿態(tài)的四個(gè)伺服電機(jī)組成，這種典型的控制模式稱(chēng)為dOAT 模式或雙軸OAT。在研究中表明sOAT (單軸OAT) 在通常使用環(huán)境下具有相當(dāng)dOAT 的控制能力，sOAT 即將用于控制繞Y 軸旋轉(zhuǎn)的及繞X 軸旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)伺服電機(jī)簡(jiǎn)化為一個(gè)，通過(guò)一個(gè)伺服電機(jī)控制電機(jī)繞一個(gè)傾斜軸旋轉(zhuǎn)達(dá)到同時(shí)完成繞x 和繞y 軸旋轉(zhuǎn)的能力，如圖3 所示。

圖3 單軸OAT 模式

2.3 基于OAT 模式的飛行器傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

我們最終采用sOAT 模式進(jìn)行兩軸驗(yàn)證機(jī)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)機(jī)臂與機(jī)身前進(jìn)方向軸線呈四十五度夾角，電機(jī)底部與機(jī)臂同高，機(jī)臂采用16mm 碳管，管內(nèi)置有電調(diào)，用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。舵機(jī)安置在舵機(jī)支架上，舵機(jī)與電機(jī)座同軸，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)將帶動(dòng)電機(jī)繞軸旋轉(zhuǎn)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)軸線與電機(jī)軸同向顧實(shí)現(xiàn)了SOAT。

2.4 基于OAT 模式的飛行器折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙軸設(shè)計(jì)帶來(lái)的不僅是飛機(jī)續(xù)航上的提升，通過(guò)減少機(jī)臂及電機(jī)的數(shù)量可以大大減少飛行器的占用空間，我們?cè)诖嘶A(chǔ)上進(jìn)一步壓縮空間設(shè)計(jì)了一套折疊機(jī)構(gòu)用于將固定不動(dòng)的機(jī)臂折疊。在我們16mm 碳管遠(yuǎn)離電機(jī)端的頭部開(kāi)有3mm 通孔，此通孔與上下機(jī)身通過(guò)3mm 螺絲連接固定，機(jī)臂可以繞此螺絲進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在折疊狀態(tài)下機(jī)臂軸線與機(jī)身前進(jìn)方向軸線平行，通過(guò)機(jī)身側(cè)邊的磁鐵與舵機(jī)支架上磁鐵吸引固定。進(jìn)入工作狀態(tài)撥開(kāi)磁鐵向外旋轉(zhuǎn)，在碳管頭部機(jī)架上設(shè)有彈性卡扣，從折疊位置撥動(dòng)后卡扣將受積并將反作用碳管之上使其快速達(dá)到下一個(gè)穩(wěn)定位置即展開(kāi)狀態(tài)，在達(dá)到展開(kāi)位置后，碳管軸線與機(jī)生上下預(yù)留的部分螺紋管軸線重疊，將一直在機(jī)臂上的螺紋緊固套圈旋入，機(jī)臂就被卡緊限制在螺紋軸線上(圖4)。

圖4 基于OAT 模式的可折疊變形兩軸總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.5 基于OAT 模式的飛行器控制系統(tǒng)布置

雙旋翼電子控制器件有2208 1100KV 無(wú)刷電機(jī)兩個(gè)，17g數(shù)字舵機(jī)兩個(gè)，30Amini 電調(diào)兩個(gè)，除開(kāi)以上其余電子控制系統(tǒng)都在主機(jī)身里，包括F3 標(biāo)準(zhǔn)版飛控、BEC 分電板、TS835 模擬圖傳、蘑菇頭天線、樂(lè)迪R9DS 接收機(jī)、微雨燕800W 像素?cái)z像頭、以及3S4000mah 格式動(dòng)力電池。

3 結(jié)論

近年來(lái)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，多旋翼無(wú)人機(jī)以?xún)?yōu)良的操控性能和可垂直起降的方便性等優(yōu)點(diǎn)迅速占領(lǐng)了國(guó)內(nèi)外大半市場(chǎng)，與固定翼飛機(jī)相比，它具有可以垂直起降，可以定點(diǎn)盤(pán)旋的優(yōu)點(diǎn)；與單旋翼直升機(jī)相比，它沒(méi)有尾槳裝置，因此具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)。盡管優(yōu)勢(shì)多多但也面臨著許多問(wèn)題，如載重量小、續(xù)航時(shí)間短、飛行抖動(dòng)、噪聲等。兩軸飛行器是未來(lái)無(wú)人機(jī)的發(fā)展方向之一，它不僅具有多旋翼無(wú)人機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)，還具有生產(chǎn)成本低、飛行噪聲小、長(zhǎng)續(xù)航等優(yōu)點(diǎn)，目前雙旋翼在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)幾乎是空白的，究其原因在于兩軸飛控仍不成熟，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺點(diǎn)。因此盡早投入雙旋翼的研究越利用占領(lǐng)市場(chǎng)，引領(lǐng)潮流。

本項(xiàng)目通過(guò)設(shè)計(jì)制作一款基于OAT 模式的雙旋翼折疊無(wú)人機(jī)完成了對(duì)飛行器設(shè)計(jì)制作總流程的驗(yàn)證實(shí)施，對(duì)OAT 及FAAT 模式的分析比較，對(duì)折疊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)制作基本完成項(xiàng)目目標(biāo)，未來(lái)將繼續(xù)改進(jìn)。