李泰興 鐘小華 陳俊華 林慶賢 梁雅婷

（廣東白云學(xué)院，廣東 廣州 510450）

0 引言

由于無人機(jī)具有制造成本低、使用成本低、安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)小、運(yùn)動(dòng)靈活以及便于操控等優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際生活中得到了廣泛應(yīng)用，但無人機(jī)也存在一些缺陷，例如當(dāng)前無人機(jī)的類型比較少，主要包括多旋翼、固定翼和直升機(jī)。多旋翼垂直起降空間小，但其載重量小且續(xù)航時(shí)間短，無法運(yùn)輸較大的物資。固定翼雖然在承載能力以及續(xù)航時(shí)間方面比多旋翼強(qiáng)，但是其起飛需要較大的空間且操控要求更高，大迎角易失速，從而無法在地勢崎嶇的山區(qū)作業(yè)，而直升機(jī)的操作系統(tǒng)較為復(fù)雜，危險(xiǎn)系數(shù)較高。扇翼機(jī)是一種在機(jī)翼上表面安裝橫流風(fēng)扇的新型飛行器，與傳統(tǒng)飛行器不同，其是通過風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力和推力，推動(dòng)飛行器進(jìn)行飛行。獨(dú)特的飛行原理使其具有超短距起降、大迎角不失速、操縱控制簡單、低速飛行穩(wěn)定性和安全性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 扇翼機(jī)總體設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該扇翼機(jī)由扇翼和V型尾翼-固定翼機(jī)身組成，還搭載了一套純電動(dòng)力系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)。翼梁分為單梁式、多（雙）梁式以及多腹板式。由于機(jī)翼既承受分布力，又承受集中力，因此單梁式的傳力路徑更短。集中受力點(diǎn)可以直接設(shè)計(jì)在翼梁上，無須通過翼肋傳遞。由于翼肋僅須承受氣動(dòng)分布載荷，強(qiáng)度很弱，不能利用翼肋傳遞集中力，因此其外段機(jī)翼內(nèi)部主梁采用航空層板制作的腹板式主梁，加強(qiáng)肋采用椴木層板，普通翼肋采用巴爾沙木，外部由0.5 mm的巴爾沙木覆蓋并用復(fù)合纖維進(jìn)行強(qiáng)化；中段安裝的橫流風(fēng)扇采用多條碳纖維腹板梁結(jié)構(gòu)，機(jī)翼內(nèi)部用碳纖維管進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，以增大機(jī)翼的承載能力。橫流風(fēng)扇分為左、右2段，其扇翼葉片由泡沫及玻璃纖維通過熱切割和真空袋工藝制成。

因?yàn)槲步M受力不大，所以展弦比不是非常重要，但應(yīng)該比主翼小。V型尾翼翼型采用NACA 0006，弦長為130 mm，單片長180 mm的輕木骨架結(jié)構(gòu)尾翼，2片尾翼夾角為60°。舵面采用平面型鉸鏈與尾翼連接；尾翼整體用3D打印連接件連接在機(jī)身尾管上。采用V型尾翼不僅可以減小尾部質(zhì)量，而且還可以降低干擾阻力。

機(jī)身整體以輕木結(jié)構(gòu)為骨架，采用多模塊設(shè)計(jì)，包括吊艙、云臺以及尾翼。多模塊的設(shè)計(jì)使該扇翼機(jī)的場地動(dòng)員能力更強(qiáng)，具有更高的市場競爭力。

該扇翼機(jī)搭載了2個(gè)朗宇X2212 kv980外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)，將2個(gè)好盈電子調(diào)速器和1塊鋰離子電池作為扇翼動(dòng)力系統(tǒng)；舵面的控制采用4顆銀燕ES08MA 12g高靈敏度微型舵機(jī)對其進(jìn)行控制。飛行控制系統(tǒng)為CUAV V5飛控。設(shè)計(jì)基本參數(shù)如下：翼展為1 200 mm，機(jī)長為970 mm，展弦比為4，橫流風(fēng)扇長度為590 mm，橫流風(fēng)扇外徑為90 mm。

傳統(tǒng)固定翼、多旋翼都安裝了各種尺寸的螺旋槳，而扇翼機(jī)則沒有安裝螺旋槳，其橫流風(fēng)扇也是安裝在機(jī)翼中央，在安全性方面比前者要高許多。當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，扇翼機(jī)能降低發(fā)生人員受傷事件的概率；同時(shí)，還可以降低能源損耗以及減少人力成本，在一定程度上可以降低運(yùn)營成本。在維護(hù)方面，運(yùn)營者可以更方便地開展維護(hù)以及日常檢查工作。該扇翼機(jī)三維建模圖如圖1所示。

圖1 多用途扇翼機(jī)

1.2 扇翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因?yàn)樵撋纫聿糠值淖枇^大，所以采用分段設(shè)計(jì)的平直翼，中段為橫流風(fēng)扇，外段為普通機(jī)翼。該文在Profili翼型庫里選擇了5種翼型作為對比。由于內(nèi)段需要安裝橫流風(fēng)扇，因此選用厚度較大的翼型。因?yàn)橥舛巫鳛轭~外的升力來源與副翼安裝段，所以采用升阻比較大的翼型。該扇翼機(jī)在飛行高度為100 m、速度為10 m/s且翼弦為300 mm時(shí)的雷諾數(shù)如公式（1）所示。

式中：為空氣密度；為氣流速度；為氣流流過物體的距離；為（動(dòng)力）黏度。

根據(jù)公式（1）計(jì)算可得=203 771。

通過Profili分析得到5種翼型升阻比與迎角的關(guān)系圖，如圖2所示。

圖2 各翼型升阻比與迎角的關(guān)系

對5種翼型進(jìn)行比較，最后決定選用CLARK Y作為扇翼機(jī)外段機(jī)翼的翼型，當(dāng)雷諾數(shù)=203 771、迎角=4°時(shí)，該翼型的升阻比最大。因?yàn)閮?nèi)段需要厚大的翼型，所以選用GOE 384為內(nèi)段機(jī)翼的翼型，該翼型的最大升阻比雖然與CLARK YM-18相差不大，但是后者升阻比陡然上升，說明在空中有微小的姿態(tài)變化，會(huì)出現(xiàn)上下顛簸、波狀飛行甚至失速的問題。

橫流風(fēng)扇是該扇翼飛行器最大的特點(diǎn)，也是該扇翼機(jī)向前的推進(jìn)力及其部分升力的來源。扇翼飛行器是在固定翼飛機(jī)上加裝橫流風(fēng)扇，根據(jù)主動(dòng)環(huán)量飛行原理，利用橫流風(fēng)扇加速機(jī)翼上、下表面形成氣流速差，實(shí)現(xiàn)超短距起降甚至垂直起降的目標(biāo)。傳統(tǒng)扇翼機(jī)機(jī)翼沒有翼型，阻力較大，當(dāng)來流達(dá)到=40 m/s時(shí)，來流使扇翼升力急劇下降。該項(xiàng)目通過1個(gè)厚度較大的翼型減小了中段扇翼所受到的水平方向的阻力。風(fēng)扇外徑為90 mm，葉片安裝角為50°，葉片個(gè)數(shù)為13個(gè)。采用多層輕木隔板，保證橫流風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度。扇翼兩側(cè)為碳纖維板，可以保證橫流風(fēng)扇的同心度。

1.3 扇翼機(jī)氣動(dòng)仿真

在Solidworks Flow Simulation中對扇翼機(jī)建模進(jìn)行氣動(dòng)分析，其設(shè)定條件如下：溫度為298.2 K，仿真環(huán)境氣體為空氣，空速為10 m/s，橫流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為30 r/s。在仰角為5°的情況下，對其升力、表面壓力以及阻力進(jìn)行分析。

經(jīng)過仿真計(jì)算得到的結(jié)果如下：全機(jī)能產(chǎn)生17.100 N的升力，受到3.368 N的阻力，可以滿足最初設(shè)計(jì)的要求。其機(jī)翼上表面壓力分布云圖如圖3所示。

圖3 扇翼機(jī)飛行表面壓力分布云圖及扇翼機(jī)中部速度分布切面圖

2 扇翼機(jī)飛行控制系統(tǒng)

該扇翼機(jī)采用基于STM32F765的開源可編程飛控，通過RTK GPS差分定位模塊（集成了RTKGPS+GNSS系統(tǒng)雙定位模塊）、陀螺儀、電子羅盤、氣壓計(jì)、差分空速管以及pix光流傳感器等傳感器，以PPM信號控制微型伺服器，通過高效的控制算法內(nèi)核能夠精準(zhǔn)地感應(yīng)并計(jì)算飛行器的飛行姿態(tài)等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自我調(diào)整、修正扇翼機(jī)姿態(tài)的目標(biāo)。同時(shí)，還可以配合MissionPlanner For Radiolink地面工作站對其航向進(jìn)行規(guī)劃，按計(jì)劃進(jìn)行巡航飛行，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

控制流程如圖4所示。整個(gè)控制系統(tǒng)的功能如下：1）讀取飛行器的姿態(tài)信息。2） 處理傳感器提供的姿態(tài)信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合濾波，從而得到準(zhǔn)確的姿態(tài)角估計(jì)值。3） 與MissionPlanner For Radiolink地面工作站通信，從而實(shí)現(xiàn)超視距全自主飛行的目標(biāo)。4） 通過地面控制終端可以提前設(shè)定飛行航線、高度及速度等參數(shù)，一鍵即可實(shí)現(xiàn)在起飛、航線飛行和返航降落等過程中的全自主飛行功能，還可以實(shí)現(xiàn)半自主飛行、全手動(dòng)飛行、智能失控保護(hù)以及自動(dòng)返航降落等功能，降低了扇翼機(jī)操控人員的工作難度，提高了數(shù)據(jù)采集率。5） 地面站系統(tǒng)擁有3D地圖、可視化飛行儀表，可以提供飛機(jī)姿態(tài)、坐標(biāo)、速度以及角度等實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)，也可以提供飛機(jī)及飛控系統(tǒng)狀態(tài)的信息。6） 按照飛行規(guī)劃執(zhí)行控制策略并輸出控制信息。

圖4 飛控控制流程

控制系統(tǒng)的質(zhì)量守恒方程如公式（2）所示。

式中：為速度在軸上的分量；為速度在軸上的分量；為密度。

在方向上的動(dòng)量守恒方程如公式（3）所示，在方向上的動(dòng)量守恒方程如公式（4）所示。

式中：F、F為微元體外部壓力（在不考慮氣體重力及其他外力作用時(shí)其值為0）；為黏性系數(shù)。

能量守恒方程如公式（5）所示。

式中：為熱力學(xué)溫度；c為比熱容；為熱傳導(dǎo)系數(shù)；S為黏性耗散項(xiàng)。

因?yàn)樵撋纫頇C(jī)是一種低速飛行器，氣流作用于操縱舵面的氣動(dòng)力較小，舵面效率也比較低，所以采用常規(guī)的氣動(dòng)布局，即副翼控制扇翼機(jī)橫滾、機(jī)身后V型尾翼控制扇翼機(jī)的俯仰和偏航。由于扇翼無人機(jī)的橫滾風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與升力存在耦合關(guān)系，因此對飛行控制系統(tǒng)來說，要在傳統(tǒng)固定翼的基礎(chǔ)上添加直升機(jī)的解耦算法對其滾筒進(jìn)行控制，即通過校正輸出、輸入之間的關(guān)系，減弱甚至消除這種相互關(guān)聯(lián)程度，從而使其變成具有多個(gè)單輸入、單輸出系統(tǒng)的算法。而在已有的仿真中可以看到，在解耦后，方位角和橫滾角可以同時(shí)運(yùn)動(dòng)，俯仰角沒有耦合角運(yùn)動(dòng)。

3 多用途的實(shí)現(xiàn)

為了應(yīng)對各種不同的用途，該扇翼機(jī)搭載了5.8 GHz、2 000 mW的無線圖像傳輸器，并配備了1個(gè)低延時(shí)、寬動(dòng)態(tài)且具有超廣角的1200TVL超清攝像頭及機(jī)載云臺。地面上安裝了1個(gè)自動(dòng)天線跟蹤云臺和1個(gè)20DBI平板天線接收圖傳信息，使該無人機(jī)能輕松地開展超視距作業(yè)。

通過不同云臺、吊艙、圖傳以及飛控的配合可以實(shí)現(xiàn)在10 km內(nèi)（不同情況下）開展作業(yè)的目標(biāo)，相關(guān)情況如下：1） 短距離物資快速運(yùn)輸。通過飛控和GPS定位，可在小范圍內(nèi)起飛并將物資快速運(yùn)往需求地。2） 地形測繪。通過飛控規(guī)劃路線，高清攝像頭采集圖像實(shí)時(shí)回傳到地面端，在電腦上呈現(xiàn)三維模型。3） 農(nóng)藥噴灑。吊艙可吊起容積約1.1 L的農(nóng)藥，并將噴灑泵接至飛控端，根據(jù)區(qū)域地形規(guī)劃好的路線開展作業(yè)。4） 應(yīng)急方面。通過更換喊話器、探照燈、熱成像攝像頭以及激光雷達(dá)等設(shè)備對地面的疏散、探照以及風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行排查。

4 結(jié)語

該文設(shè)計(jì)的超短距起降、大迎角不失速且能載重飛行的多用途扇翼機(jī)是一款由扇翼和固定翼機(jī)身組成的帶有飛行控制系統(tǒng)及圖像傳輸系統(tǒng)的新型飛行器。該扇翼機(jī)用扇翼代替螺旋槳提供升力，在突發(fā)事件時(shí)可有效減少人員被螺旋槳打傷的概率，極大地提高了安全性，從而使該文設(shè)計(jì)的多用途扇翼機(jī)在未來市場中具有更大的潛力。