淺析多旋翼無人機系統(tǒng)技術(shù)改進

金昱洋 王智超 曲以春

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.07.013

摘 要：近年來，多旋翼無人機發(fā)展迅速，因操作簡單、攜帶便捷、成果多樣，被廣泛應(yīng)用于國家發(fā)展建設(shè)的多個領(lǐng)域。該文從多旋翼無人機全系統(tǒng)出發(fā)，依次提出了動力系統(tǒng)、機體主要承力部件、后期數(shù)據(jù)處理、信道通信和任務(wù)云臺等方面限制多旋翼無人機發(fā)展的諸多瓶頸問題和現(xiàn)有不足，并針對以上問題進行具體分析和技術(shù)研究，同時提出技術(shù)改進意見。

關(guān)鍵詞：多旋翼無人機 發(fā)展瓶頸 技術(shù)改進

中圖分類號：V27 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（a）-0013-04

Technological Improvement of Multi-Rotor UAV

Jin Yuyang Wang Zhichao Qu Yichun

（61206 troops，Dalian Liaoning，116023，China）

Abstract：Recent years， multi-rotor Unmanned Aerial Vehicle develops fast and has a wide range of applications in national development and construction. Aiming at a series of developing bottlenecks of multi-rotor UAV， this paper expounds technological researches and puts forward suggestions of dynamic system， main load-bearing components， post data processing， channel communication and pan-tilt platform for improvement.

Key Words：Multi-rotor UAV； Developing bottlenecks； Technological improvement

多旋翼無人機具有完成任務(wù)多樣、體積小、重量輕、方便攜帶和運輸?shù)葍?yōu)點。該型無人機可以拍照、攝像，成果可以生成三維模型、正射影像，還可以通過后期軟件進行成果的二次應(yīng)用[1]。但在多旋翼無人機迅速發(fā)展的同時，諸多制約發(fā)展的瓶頸問題愈發(fā)的凸顯，這些問題將在該文列舉和分析，并提出改進意見。

1 動力系統(tǒng)

多旋翼無人機均采用電池供電，續(xù)航時間是20～50 min，掛載1 kg以上的任務(wù)云臺，飛行時間會明顯減少至15～30 min。如圖1所示多旋翼無人機的4種通用電池。

多旋翼無人機依據(jù)目前的技術(shù)水平只能采用電池供電，通過電池帶動高性能電機和螺旋槳旋轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生足夠飛機飛行機動的動力。目前電池供電的問題是飛機滯空時間短，這個問題制約了飛行效率，只能依靠多架次的飛行來彌補。

1.1 增大電池容量的可行性分析

（1）從安全層面考慮，大容量電池現(xiàn)在受到多重制度管制，公共交通運輸工具不允許攜帶容量大、放電能力強d的電池；一般電池生產(chǎn)廠家也不允許生產(chǎn)過大容量的電池，所以從制度層面是不可行的。

（2）增大電池容量會線性增加電池的重量，進而直接增加飛機的起飛重量，飛機的起飛重量一旦增加，續(xù)航時間就會顯著縮短。

所以，簡單的增大電池容量是不可行的。

1.2 采用燃油動力系統(tǒng)的可行性分析

化石燃料熱值高，作為燃料會極大地增強飛行器的續(xù)航能力，然而多旋翼飛機很難像固定翼飛機一樣采用化石燃料提供動力。原因在于，固定翼飛機以燃油產(chǎn)生的能量需要通過1套或2套傳動裝置帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)，進而產(chǎn)生飛行動力。多旋翼飛機，以六旋翼飛機為例，如果采用燃油發(fā)動機，就需要6套傳動裝置同時連接發(fā)動機獲取動力，進而帶動6個螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生飛行動力。多套傳動裝置的重量極大地增加了起飛重量；傳動過程中齒輪間摩擦帶來的能量損耗極大地降低了發(fā)動機的工作效率，所以，燃油發(fā)動機做了大量的額外功、效率低下，同時也無法滿足無人機小型化的發(fā)展趨勢[2]。

綜合以上的分析，動力系統(tǒng)的改進必須依靠高性能電池的發(fā)明和生產(chǎn)，重量輕、容量大的電池必然會帶來多旋翼無人機領(lǐng)域的革命。

2 機體主要承力部件

飛機材料的受力強度是檢驗飛機性能是否可靠的重要指標，也是飛機能否安全飛行的重要保障[3]。飛機的強度主要體現(xiàn)在電機的強度，電機與飛機臂連接座的強度，飛機機體的強度，這3個位置是飛機飛行的主要受力部位。以上部位一旦出現(xiàn)問題，飛機輕則降落受損，重則墜機。

2.1 影響電機強度的因素

2.1.1 電機旋轉(zhuǎn)不共面對電機強度的影響

電機經(jīng)過一段時間的使用會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子松動，使電機的旋轉(zhuǎn)不在同一平面上，導(dǎo)致螺旋槳做額外功，降低工作效率，還會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與電機周邊發(fā)生磨損，使電機越旋轉(zhuǎn)越不共面，越工作效率越低。所以，電機質(zhì)量是非常重要的，而且飛機在每次飛行前都必須對電機進行共面檢查。

2.1.2 電機安裝不水平對電機強度的影響

電機的安裝是無法保證絕對水平的，旋轉(zhuǎn)著的不水平的電機產(chǎn)生的升力不是垂直向上的，會產(chǎn)生較大的水平方向的分力，飛機的飛行控制系統(tǒng)就會自動調(diào)節(jié)，6個電機的轉(zhuǎn)速，使飛機整體時刻保持平衡狀態(tài)，這種調(diào)整就會使各電機的轉(zhuǎn)速明顯不一致。長期地轉(zhuǎn)速不一致和螺旋槳不水平旋轉(zhuǎn)會導(dǎo)致個別電機出現(xiàn)轉(zhuǎn)子松動的現(xiàn)象。

綜合以上兩部分的分析，多旋翼飛機的一個優(yōu)化方向就是出廠前應(yīng)該做好電機的水平調(diào)整，并且一旦調(diào)整水平就緊固。用戶在使用時只需組裝螺旋槳，不需要調(diào)整電機和電機座，這樣提高工作效率的同時也延長了飛機電機的使用壽命。如圖2所示，飛機每一次飛行前需用水平尺調(diào)整電機水平。

2.1.3 電機轉(zhuǎn)速不一致對電機強度的影響

多旋翼飛機為了保持飛行的平衡，避免陷入自旋狀態(tài)，電機的排序是按照順時針、逆時針交替分配的，在飛機飛行時共同產(chǎn)生向上的升力，相互抵消產(chǎn)生的水平分力[4]。但是根據(jù)實際飛行經(jīng)驗，逆轉(zhuǎn)電機與順轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)速是不相等的，而且始終是逆時針旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)速要快于相應(yīng)的順時針旋轉(zhuǎn)的電機，每一個架次的飛行統(tǒng)計數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)這樣的規(guī)律，而且緯度越高這種差異會呈現(xiàn)變大的趨勢。地球自西向東的自轉(zhuǎn)對高速旋轉(zhuǎn)的電機產(chǎn)生微弱的影響，而且這種差異肉眼不可見，只能通過數(shù)據(jù)分析。（見圖3～圖8）。

圖3、4、5和圖6、7、8分別為多旋翼無人機在遼寧省大連市（北緯39°）和內(nèi)蒙古自治區(qū)蘇尼特右旗（北緯42.4°）兩次飛行的電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，橫軸為時間，豎軸為電機轉(zhuǎn)數(shù)。圖3、6為1號、2號電機的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，圖4、7為3號、4號電機的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，圖5、8為5號、6號電機的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。其中1、3、5號電機為逆時針旋轉(zhuǎn)電機；2、4、6號電機為順時針旋轉(zhuǎn)電機，電機按照由1～6的順序，逆轉(zhuǎn)順轉(zhuǎn)交替排序。據(jù)圖分析，在這兩地各逆轉(zhuǎn)電機均要快于相應(yīng)的順轉(zhuǎn)電機。在北緯39°地區(qū)，逆轉(zhuǎn)電機平均比順轉(zhuǎn)電機每分鐘快500～1 000 r；在北緯42.4°地區(qū)，逆轉(zhuǎn)電機平均比順轉(zhuǎn)電機每分鐘快1 000～2 000 r，差距十分明顯。

由此可以得出結(jié)論：在北半球，逆轉(zhuǎn)電機比順轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)速高，緯度越高，順逆轉(zhuǎn)速的差值越大，在北極這種差異會達到最大；在赤道，差值為零，即順、逆轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)速會大致相當。在南半球，這種情況會剛好反過來，順轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)速會快于逆轉(zhuǎn)電機，而且越靠近南極，差值越大，越靠近赤道，差值越小。

所以，順逆旋轉(zhuǎn)的電機經(jīng)過一段時間的使用，其磨損程度是不同的，在北半球使用多旋翼無人機要尤其關(guān)注逆時針旋轉(zhuǎn)電機的磨損，并注意保養(yǎng)和更換。

2.2 電機連接座的強度

機身與電機連接座是飛機的重要承力部件，這些部件直接保障著飛機的飛行質(zhì)量，一旦損壞，飛機就無法完成飛行任務(wù)。多旋翼無人機的一個技術(shù)優(yōu)勢就是：一個或不是同一側(cè)的兩個電機損壞、飛機機臂損壞或電機連接座損壞，只要損壞的部分不影響其他電機的旋轉(zhuǎn)，飛機都能夠通過飛控系統(tǒng)自動保持姿態(tài)平衡，進行迫降，從而可以極大地減少裝備損毀（見圖9）。

飛機的技術(shù)優(yōu)勢不能夠代替材料的強度，依然要從制作工藝和材料的選擇上，選擇并制造質(zhì)量輕而且強度大的電機連接座。

2.3 飛機機體的強度

現(xiàn)在的多旋翼無人機的機體采用鋁鈦合金和碳纖維材料[5]，質(zhì)量輕、強度大，體現(xiàn)出了卓越的性能，非常適合多旋翼無人機。目前機體材料已經(jīng)發(fā)展到較高水平了。

3 后期數(shù)據(jù)處理

無人機航攝飛行可以獲取像片、視頻兩種重要的一手資料，一手資料通過數(shù)據(jù)處理目前可以得到真三維模型、影像圖（包括彩色影像、彩紅外影像、黑白影像等等）和剪輯視頻等后期成果，個別性能較好的軟件可以在以上成果的基礎(chǔ)上進行分析、判讀、決策等更高級別的二次應(yīng)用。

現(xiàn)在市場上使用的無人機航攝飛行數(shù)據(jù)處理軟件均為國外生產(chǎn)的，我國目前還沒有成熟的而且具備自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)據(jù)處理軟件。

國外的數(shù)據(jù)處理軟件，數(shù)據(jù)處理的周期依然較長。如果快速獲得數(shù)據(jù)成果就需要犧牲成果質(zhì)量；如果需要得到高質(zhì)量的成果就需要大量的數(shù)據(jù)處理時間?，F(xiàn)在還不能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量成果的快速處理。

4 信道通信

4.1 通信頻率

目前我國多旋翼無人機支持的點對點傳輸頻率是2.4 GHz和5.8 GHz，而飛機遙控器與飛機之間、地面站與飛機之間都是點對點進行傳輸?shù)腫6]。為了節(jié)約制造成本，飛機生產(chǎn)廠商在飛機與地面站和遙控器之間都統(tǒng)一采用2.4 GHz或5.8 GHz的通信頻率，而且頻率范圍接近。一般遙控器的信號發(fā)射功率要遠大于地面站的電臺，在實際飛行過程中，如果遙控器與地面站相距較近，遙控器會直接搶占并干擾地面站頻率，導(dǎo)致飛機與地面站失聯(lián)，使地面站無法實時監(jiān)控飛機飛行狀態(tài)，增加飛機飛行的安全隱患。

兩種通信之間應(yīng)當避免頻率范圍過近，甚至有交集，調(diào)整二者通信頻率使之產(chǎn)生一定的間隔，就可以有效地避免地面站與飛機失聯(lián)的情況發(fā)生。

4.2 通信功率

在有復(fù)雜電磁環(huán)境或有較強磁干擾的區(qū)域執(zhí)行飛行任務(wù)時，飛機容易出現(xiàn)與遙控器、地面站雙失聯(lián)的情況，造成失聯(lián)返航或失聯(lián)迫降的情況發(fā)生，導(dǎo)致無法執(zhí)行任務(wù)或飛行事故。所以，增強天線的發(fā)射功率、強化各信道通信的抗干擾能力是完成復(fù)雜電磁條件下飛行的重要保證。

5 任務(wù)云臺

目前來講，多功能集成平臺只能滿足一般攝影需求，無法滿足測繪等更高級別應(yīng)用需求。拍攝精度高、成果質(zhì)量好的任務(wù)云臺一般功能比較單一，只能拍照或是攝像，不能同時具備拍照、攝像和實時傳輸?shù)裙δ?，通常根?jù)專項任務(wù)掛載專項平臺，所以，完成任務(wù)能力大大受限。

云臺需要同時集成拍照、攝像和數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)裙δ埽揖雀?、體積小、重量輕、抗撞擊、具備防雨能力。這種綜合性、通用性的任務(wù)云臺，會是未來多旋翼無人機云臺的重要發(fā)展方向[6]。

多旋翼無人機的任務(wù)云臺還可以根據(jù)任務(wù)的需要進一步攜帶科技含量更高的遙感器，比如：合成孔徑側(cè)視雷達、紅外線熱成像儀、高清夜視儀、多光譜掃描儀等等，為完成多樣化的任務(wù)提供了可能。

6 結(jié)語

該文結(jié)合使用多旋翼無人機的經(jīng)驗和體會，從多旋翼無人機的動力系統(tǒng)、機體主要承力部件、后期數(shù)據(jù)處理、信道通信以及任務(wù)云臺等幾個方面列舉分析了制約多旋翼無人機發(fā)展的瓶頸問題，探討研究了技術(shù)改進方法，為多旋翼無人機下一步的發(fā)展具有較強的指導(dǎo)和借鑒意義。

參考文獻

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