一種警用可折疊六旋翼飛行器設計

宋光輝

（中國人民解放軍武警工程大學 裝備工程學院，陜西 西安710086）

0 引言

武警部隊承擔著國家處突、反恐、搶險救援等重大任務。尤其是近些年來,處突、反恐形勢日趨嚴峻，自然災害頻發，而武警部隊低空偵查力量相對較弱，處置各項任務時受到較大的限制。 本課題所研究的是一種新型可折疊六旋翼飛行器， 六旋翼飛行器是一種結構較新穎，具有獨特飛行姿態且不受大機翼的限制， 能夠在較小的空間內飛行，機械結構較為簡單，具備自主起飛和降落的功能，系統高度智能，只需要協調好各旋翼的轉速，就可以實現較多的飛行姿態。 相對于常見的四旋翼飛行器具有穩定性好，提升能力強等優勢，已經漸漸取代四旋翼飛行器成為廣大科研工作者研究的重點。 針對武警部隊任務的實際，可專門設計出可折疊結構和攜行箱，實現單兵攜行的目的，通過在云臺上加載高清度攝像頭等模塊化的裝備，來實現處突、反恐等任務的需要。

1 六旋翼飛行器的工作原理

六旋翼飛行器是一種六自由度垂直起降飛行器，六旋翼飛行器相鄰的兩個旋翼一個順時針轉動，另一個逆時針轉動，相鄰兩個槳一個為正槳，而另外一個為反槳，通過這種方式，達到飛行器自身扭矩相互抵消。 飛行器懸停的時，6 個槳的升力之和等于飛行器的起飛重量，槳的升力和大于飛行器本身的起飛重量時，飛行器起飛，反之，飛行器下降，而通過飛行器6 個旋翼轉速的不同，達到偏航和轉換飛行器姿態的目的。

2 六旋翼飛行器的硬件構成

為制造出實際可靠的六旋翼飛行器，對于硬件選擇很重要的一個原則就是要通過各個模塊相互的協調來發揮出飛行器的整體效能，既要有足夠的冗余保證飛行器的安全，又不能造成浪費。飛行器由機體、飛控系統、動力系統等構成。

（1）機體部分，為了使無人機具有較高的強度及穩定性，采用碳纖維復合材料， 中心板采用3mm 的3K 碳纖維板， 旋翼臂采用外徑22mm,內徑20mm 的空心碳纖管，軸距為90cm，由于碳纖維材料強度高、質量輕，可以最大限度的減小機身自重。

（2）飛控系統，飛控系統是整個無人機姿態控制的核心模塊。飛控系統由主控系統、 姿態測試系統、 接收機構成。 1. 主控系統采用APM2.5 開源處理器，可以通過編程實現自動飛行。 2.姿態測量系統由三軸陀螺儀、三軸加速度計、氣壓計、磁力計構成，對飛行的姿態進行測量， 將測量結果輸入主控系統進行姿態解算。 3. 接收模塊由頻率2.4GHZ 的接收機構成，工作電壓為5V，由電池進行供電，負責飛行指令的接收。

（3）動力系統，選用320KV 的SunnySky X4112S 盤式無刷電機配APC14*47 螺旋槳、好贏6S 40A 電子調速器和22.2V 10000mA h 航模電池，飛機的續航能力大約20 分鐘。單個電機拉力與電流之間的關系如圖3 所示，通過的最大電流為13.6A，最大提升力為2060g，可以估算出飛行器的最大提升為12.36kg， 為了使飛機能有足夠動力進行姿態調整，通常留有40%的冗余，飛行器的整體提升力大約8kg ，機身整體重量設定為4kg，所以飛行器凈載荷不能超過4kg，否則飛行時會產生安全隱患。

3 飛行器的控制

為使六旋翼飛行器的姿態控制穩定，防止電機轉速變化幅度較大而產生機身不穩定的現象，采用最常用的PID 控制的方法對飛行姿態進行控制。圖4 為控制系統簡圖，地面站發射飛行指令給接收機，經過PPM 解碼傳給飛控系統， 飛控系統根據解算的飛行姿態參數和解碼出的飛行信號將兩者進行統合， 根據融合的結果確定相應的控制量，輸出PWM 信號對電機進行控制。

4 結束語

可折疊六旋翼飛行器是一種結構新穎的無人飛行系統，能解決部隊現有旋翼飛行器體積較大，不便于攜行的目的，利用GPS 全球定位系統，可通過航跡規劃的方法使其自主完成偵查等任務，通過加載避障裝置，能實現其安全自主飛行，具有很強的可行性。

隨著微電子技術的不斷發展， 相信未來將會制造出體積更小、結構更輕、移動更加靈活的超小型無人旋翼飛行系統，便于進行無聲隱蔽偵查，更能夠促使武警部隊任務的完成，這也是我們也是下一步工作研究的重點和方向。

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