虞君錨，伍玲密，王 浩

（浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州325016）

1 國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品研究工作現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品的研究都處于起步階段。Drone4Agro 是荷蘭的一家初創(chuàng)公司，致力于農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的各種應(yīng)用，例如噴霧、施肥、播種等，該公司生產(chǎn)5～100 L 有效載荷的長(zhǎng)方形無(wú)人機(jī)。該公司官網(wǎng)介紹，Drone4Agro 還可以根據(jù)客戶(hù)需求進(jìn)行定制，比如用于大表面噴漆的噴漆無(wú)人機(jī)、用于攜帶受傷人員的疏散無(wú)人機(jī)（目前正在進(jìn)行一項(xiàng)100 kg 有效載荷運(yùn)輸無(wú)人機(jī)的項(xiàng)目），該公司的長(zhǎng)方形無(wú)人機(jī)具有長(zhǎng)寬比大的特點(diǎn)。總之，國(guó)外長(zhǎng)方形多旋翼無(wú)人機(jī)研究正處于初級(jí)階段。

國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品的研究：目前國(guó)內(nèi)大部分多軸都是三角形、正方形、正六邊形、正八邊形機(jī)架布局。國(guó)內(nèi)很少有企業(yè)研究長(zhǎng)方形機(jī)架無(wú)人機(jī)，也很少有長(zhǎng)方形機(jī)架無(wú)人機(jī)的論文等資料。在國(guó)內(nèi)對(duì)長(zhǎng)方形機(jī)架無(wú)人機(jī)的研究是比較少的。很多企業(yè)對(duì)長(zhǎng)方形無(wú)人機(jī)的飛行穩(wěn)定性不自信，對(duì)它的行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域迷茫，對(duì)長(zhǎng)方形無(wú)人機(jī)方向靈活性有所懷疑，對(duì)長(zhǎng)方形無(wú)人機(jī)的長(zhǎng)條形體積有所擔(dān)憂(yōu)。國(guó)內(nèi)小鵬匯天公司研制出了首款超科幻雙人智能電動(dòng)飛行器——旅航者X2，其機(jī)身長(zhǎng)度總體呈長(zhǎng)方形，但是長(zhǎng)寬比較小，在一定程度上提高了無(wú)人機(jī)的通過(guò)性。其實(shí)長(zhǎng)方形無(wú)人機(jī)除了上面提到的應(yīng)用外，還有很多創(chuàng)意的應(yīng)用，如制成飛行地毯、飛行舞龍等等。

2 本項(xiàng)目主要研究方案——?dú)鈩?dòng)力布局

如圖1 所示為常見(jiàn)多旋翼無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)力布局形式的幾種布局。2 軸多旋翼無(wú)人機(jī)旋翼可以?xún)A斜改變升力方向，飛行原理和控制策略復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，工作面不寬，但是經(jīng)濟(jì)性比較好，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)。3 軸多旋翼無(wú)人機(jī)重心布局不易平衡，飛行原理和控制策略復(fù)雜，飛機(jī)受力沒(méi)有軸對(duì)稱(chēng)，從而可能導(dǎo)致飛機(jī)飛行不穩(wěn)定。4 旋翼和6 旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操控方便，穩(wěn)定性強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域，包括警用執(zhí)法、農(nóng)業(yè)植保、應(yīng)急救援、電力巡檢、物流運(yùn)輸?shù)确矫鎇1]。4、6 軸多旋翼無(wú)人機(jī)重心穩(wěn)定，可以向中心靠攏，對(duì)穩(wěn)軸有很多個(gè)[2]。但是，傳統(tǒng)4 旋翼無(wú)人機(jī)和6 旋翼無(wú)人機(jī)存在作業(yè)面狹窄、負(fù)載小等缺點(diǎn)，不適合大面積作業(yè)和運(yùn)輸貨物。

圖1 常見(jiàn)多旋翼無(wú)人機(jī)氣動(dòng)力布局

長(zhǎng)方形機(jī)身可以有效增大飛機(jī)載重質(zhì)量和工作寬度面。氣動(dòng)力布局的改變，會(huì)影響飛機(jī)的飛行原理。本項(xiàng)目氣動(dòng)力布局形式如圖2 所示，當(dāng)電機(jī)1、2、3、4 的轉(zhuǎn)速大于電機(jī)5、6、7、8 的轉(zhuǎn)速時(shí)，無(wú)人機(jī)會(huì)向后飛行；當(dāng)電機(jī)1、2、3、4 的轉(zhuǎn)速小于電機(jī)5、6、7、8 的轉(zhuǎn)速時(shí)，無(wú)人機(jī)會(huì)向前飛行。當(dāng)電機(jī)1、2、5、6的轉(zhuǎn)速大于電機(jī)3、4、7、8 的轉(zhuǎn)速時(shí)，無(wú)人機(jī)會(huì)向右飛行；當(dāng)電機(jī)1、2、5、6 的轉(zhuǎn)速小于電機(jī)3、4、7、8的轉(zhuǎn)速時(shí)，無(wú)人機(jī)會(huì)向左飛行。當(dāng)電機(jī)1、2、7、8 轉(zhuǎn)速小于電機(jī)3、4、5、6 時(shí)，無(wú)人機(jī)順序針偏航；當(dāng)電機(jī)1、2、7、8 轉(zhuǎn)速大于電機(jī)3、4、5、6 時(shí)，無(wú)人機(jī)逆時(shí)針偏航。由于橫向方向的長(zhǎng)度始終大于縱向方向的長(zhǎng)度，將會(huì)引起飛機(jī)飛行時(shí)的不穩(wěn)定性，橫向方向橫滾角變化一點(diǎn)，飛機(jī)橫向擺副將會(huì)被放大，縱向方向距離比較短，容易翻滾。當(dāng)然以上所有設(shè)想都將得到實(shí)踐的驗(yàn)證。長(zhǎng)方形無(wú)人機(jī)保持穩(wěn)定飛行是最基本的要求。長(zhǎng)方形無(wú)人機(jī)的對(duì)稱(chēng)軸只有2 條，這與普通的4 軸和6 軸多旋翼不同（對(duì)稱(chēng)軸很多條）。長(zhǎng)方形無(wú)人機(jī)偏航、俯仰、滾轉(zhuǎn)動(dòng)作明顯，易于肉眼觀察和遠(yuǎn)處識(shí)別。

圖2 本項(xiàng)目氣動(dòng)力布局形式

3 長(zhǎng)方形多旋翼無(wú)人機(jī)任務(wù)載荷與應(yīng)用

長(zhǎng)方形多旋翼無(wú)人機(jī)起落架設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示。

圖3 起落架設(shè)計(jì)示意圖

長(zhǎng)方形多旋翼無(wú)人機(jī)起落架下面有很大的空間，可以裝載很多任務(wù)載荷，如多種類(lèi)型攝像機(jī)、探照燈、喊話(huà)器、氣體分析檢測(cè)儀、拋投器、取物手抓等等，大空間也適合搬運(yùn)東西（長(zhǎng)方形物流快遞）。這樣一個(gè)長(zhǎng)條形空間，拓寬了多旋翼無(wú)人機(jī)的行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，但同時(shí)也提高了無(wú)人機(jī)飛行控制的難度。

3.1 長(zhǎng)方形多旋翼無(wú)人機(jī)在消防應(yīng)急救援中的應(yīng)用

長(zhǎng)方形無(wú)人機(jī)可以攜帶多個(gè)拋投箱，高效地完成物資拋投工作。長(zhǎng)方形的形狀可以依次安裝三四個(gè)拋投箱，每個(gè)拋投器中可以攜帶質(zhì)量差不多的急救物質(zhì)?？梢?jiàn)長(zhǎng)方形的機(jī)架更加適合安裝矩形任務(wù)載荷，進(jìn)行拋投時(shí)，可以按照對(duì)稱(chēng)的順序，保證無(wú)人機(jī)重心的穩(wěn)定[3]。長(zhǎng)方形多旋翼無(wú)人機(jī)在消防應(yīng)急救援中的應(yīng)用如圖4 所示。

圖4 長(zhǎng)方形多旋翼無(wú)人機(jī)在消防應(yīng)急救援中的應(yīng)用

3.2 長(zhǎng)方形多旋翼無(wú)人機(jī)在植保與噴涂中的應(yīng)用

長(zhǎng)方形多旋翼無(wú)人機(jī)橫向長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，上面可以安裝很多電池、發(fā)電機(jī)等動(dòng)力裝置，大大提高了無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力。比如可以安裝一個(gè)增程器，增程器包含一個(gè)與發(fā)電機(jī)相連的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。電池更換操作將被燃料箱的簡(jiǎn)單補(bǔ)給操作所取代，該解決方案將極大增加了農(nóng)用無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力。長(zhǎng)方形多旋翼無(wú)人機(jī)在植保與噴涂領(lǐng)域的應(yīng)用如圖5 所示。

圖5 長(zhǎng)方形多旋翼無(wú)人機(jī)在植保與噴涂領(lǐng)域的應(yīng)用

3.3 長(zhǎng)方形多旋翼無(wú)人機(jī)在物流領(lǐng)域的應(yīng)用

長(zhǎng)方形多旋翼無(wú)人機(jī)可以非常輕松地進(jìn)行橫向連接和縱向連接。橫向拼接無(wú)人機(jī)可以運(yùn)輸2～3 m 大件長(zhǎng)條形物資，如長(zhǎng)木條、長(zhǎng)的包裹快遞或者傷員。縱向拼接無(wú)人機(jī)可以運(yùn)輸1～1.5 m 長(zhǎng)的塊狀物資，如大米、礦泉水、藥品、救生圈，大大提高了無(wú)人機(jī)運(yùn)輸效率。長(zhǎng)方形多旋翼無(wú)人機(jī)在物流領(lǐng)域的應(yīng)用如圖6所示。

圖6 長(zhǎng)方形多旋翼無(wú)人機(jī)在物流領(lǐng)域的應(yīng)用

4 無(wú)人機(jī)受力分析與運(yùn)動(dòng)方式

長(zhǎng)方形無(wú)人機(jī)受力分析如圖7 所示。

圖7 長(zhǎng)方形無(wú)人機(jī)受力分析

滾轉(zhuǎn)力矩T1=f1×b+f2×c+f7×c+f8×b－f3×c－f4×b－f5×b－f6×c。

俯仰力矩T2=f1×a+f2×a+f3×a+f4×a－f5×a－f6×a－f7×a－f8×a。

偏航力矩T3=f1×k1+f3×k3+f5×k5+f7×k7－f2×k2－f4×k4－f6×k6－f8×k8。

總的升力L=f1+f2+f3+f4+f5+f6+f7+f8=m×c1=m×（a+g）。

其中，k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7、k8為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，a、b、c為各電機(jī)到飛機(jī)中心的距離。

根據(jù)公式可知，1、4、5、8 號(hào)電機(jī)離無(wú)人機(jī)中心的橫向力臂比較大，長(zhǎng)方形無(wú)人機(jī)滾轉(zhuǎn)力矩十分容易實(shí)現(xiàn)，橫滾角十分容易變大。在飛行過(guò)程中，需要將橫滾角保持在一定的范圍之內(nèi)，讓飛機(jī)平穩(wěn)飛行。當(dāng)長(zhǎng)方形多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行物流運(yùn)輸時(shí)，橫滾運(yùn)動(dòng)比較合適。1—8 號(hào)電機(jī)離無(wú)人機(jī)中心的縱向力臂比較小，但是都相等，長(zhǎng)方形無(wú)人機(jī)俯仰力矩十分均勻。當(dāng)長(zhǎng)方形多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以進(jìn)行大面積的作業(yè)，如植保、噴霧消毒、外墻噴涂等工作。

5 無(wú)人機(jī)的攜帶與拆裝

針對(duì)長(zhǎng)條形大質(zhì)量的緊急物資，如果可以將多架長(zhǎng)方形無(wú)人機(jī)線(xiàn)性連接在一起，將會(huì)大大提高運(yùn)輸?shù)妮d重。同時(shí)在設(shè)計(jì)的時(shí)候充分考慮了無(wú)人機(jī)的可攜帶性，采用快接接頭，同時(shí)接上飛機(jī)的機(jī)械和電線(xiàn)，卡扣式設(shè)計(jì)。將8 軸長(zhǎng)方形無(wú)人機(jī)分成3 個(gè)部分，包括2個(gè)4 軸無(wú)機(jī)人、1 個(gè)中間連桿電池架，完美解決攜帶問(wèn)題。多架長(zhǎng)方形8 軸無(wú)機(jī)可以一字連接在一起，適合長(zhǎng)條形物緊急物資的運(yùn)輸，有效提高運(yùn)輸體積和載重。

6 本項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

傳統(tǒng)4 旋翼無(wú)人機(jī)和6 旋翼無(wú)人機(jī)存在作業(yè)面狹窄、負(fù)載小等缺點(diǎn)，不適合大面積作業(yè)和物流。特別是對(duì)作業(yè)寬度有要求場(chǎng)所，如大面積植保和高樓外墻噴涂場(chǎng)所。長(zhǎng)方形可拼接多旋翼無(wú)人機(jī)可根據(jù)客戶(hù)需求進(jìn)行定制無(wú)人機(jī)，拼接長(zhǎng)度越長(zhǎng)，長(zhǎng)寬比越大，工作面就越寬，工作效率就越高，載重能力就越強(qiáng)；可以廣泛應(yīng)用于消防與救援領(lǐng)域，例如長(zhǎng)方形消防無(wú)人機(jī)可以攜帶多枚滅火彈，長(zhǎng)方形救援無(wú)人機(jī)可以攜帶多個(gè)空投箱；也可以用于搬運(yùn)受傷人員，任務(wù)載荷可以成線(xiàn)性對(duì)稱(chēng)排列，投放時(shí)也遵循對(duì)稱(chēng)順序。長(zhǎng)方形無(wú)人機(jī)拼接和拆裝示意圖如圖8 所示。

圖8 長(zhǎng)方形無(wú)人機(jī)拼接和拆裝示意圖

7 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)并制造了一架長(zhǎng)方形機(jī)架的多旋翼無(wú)人機(jī)，分析了長(zhǎng)方形無(wú)人機(jī)的飛行受力情況和控制難點(diǎn)，并探索了其在物流、救援、消防滅火等行業(yè)中的應(yīng)用。另外總結(jié)了長(zhǎng)方形多旋翼無(wú)人機(jī)優(yōu)點(diǎn)和不足，為長(zhǎng)方形機(jī)架多旋翼無(wú)人機(jī)的研究指明了方向。