基于第一視角便攜式無人偵察機系統

摘 要：基于第一視角的便攜式無人偵察機系統采用第一視角操縱方式，可以進行超視距飛行操作，擴大其工作半徑。利用AutoCAD，XFLR5，CATIA等軟件制圖、仿真模擬軟件，結合已有知識進行創新實踐研究。項目組完成了無人機載機設計，圖傳設備的選擇與改進，圖像傳輸、采集等任務。飛機整體設計為滑翔機結構，有較大的推重比。應用OSD（on-screen display的簡稱即屏幕菜單式調節方式）模塊，實時顯示航向，傾角等飛行數據，有利于地面控制者操縱。此飛機以第一視角方式操作可用于科研實驗、事故搜救、軍事偵察等不同場合，且航線比計算機程序操縱的無人機更加靈活，成本低廉，應用廣泛。

關鍵詞：模型飛機；第一視角；便攜式

隨著國民經濟的不斷發展，無人機已逐漸進入公眾視野。不可否認，無人機的應用提高了工作效率，改變了一些行業的生產方式，甚至有專家預言無人機會帶來新的革命。

在無人機普遍發展的大環境下，項目組成員提出了“基于第一視角便攜式無人偵察機系統”的設想，并進行了實踐。本系統能夠實現快速拆裝飛行器，整套設備能放置在便攜式容器中（長寬高之和不超過1600mm）。飛行器操縱簡單，借助由飛行器攝像頭采集，實時傳輸到地面站的視頻信號，飛手進行第一視角飛行，能完成偵查任務且不需要云臺手，導航手協助。飛行器采用模塊化設計，容易修補，制作成本低。

1 飛行器的設計

1.1 飛行器總體布局及設計參數

1.1.1 翼型與機翼平面形狀的選擇。根據項目要求我們需要飛行器攜帶圖傳設備和攝像頭進行第一視角偵查飛行任務，因此飛行器需要一定的載重能力，其次由于要進行視頻圖像的傳輸，要求飛行器在飛行過程中有較強的穩定性。

第一步確定翼型，綜合考慮由于飛行器的載重與穩定性我們選擇了在航空工業上赫赫有名的CLARK Y翼型，這類翼型的飛行器最大的特點是有較大的載重能力并且在飛行中的穩定性很好，但是缺點就是飛行阻力較大，考慮我們的飛行器在飛行過程中相對速度較慢其帶來的阻力較小，影響不大。（如圖1）

矩形機翼的剖面形狀沿展向保持不變，這種平面形狀在氣動上不是最好，因為它的翼尖部分對升力貢獻較小，沒有承擔飛行器的重量載荷。但矩形翼具有制作簡單，計算機軟件模擬準確高等特點。并且，本項目飛行器在相對低速的環境下運行。通過查閱文獻得知，低速情況下矩形機翼與梯形機翼性能相似，遂采用矩形機翼。

1.1.2 設計參數（如表1）

1.2 XFLR5計算機軟件模擬

1.2.1 翼型空氣動力學分析。為了驗證CLARK-Y型翼是否適用于我們的飛行器，我們對它進行空動力學分析。首先計算雷諾數。雷諾數——空氣中運動的物體受到空氣的黏性力和慣性力的比，簡單解釋就是空氣分子運動中有質量由速度，遇到物體就會對物體有力產生。主要參考規律，飛機越大雷諾數越大，受到黏性力的成分越少。

雷諾數=（流體密度/粘滯系數）*速度*長度

帶入常數與相關標準值進一步得到簡縮公式：

雷諾數=68459*速度*長度

銀川本地海拔約為1100米，空氣密度較標準值較小（約為標準值的76%），且地處西北內陸，空氣濕度（粘度）較小，這些數據難以監控與測量。但是由簡縮公式易知此兩項變量對于最終結果的影響在可接受范圍內，故可使用此公式。預設飛行器的飛行速度在15M/s，算得雷諾數為22000。

我們選用的CLARK-Y型翼在機翼迎角約達到20度時，升力系數有驟降的趨勢，但此時的升阻比仍約30，且俯仰力矩系數曲線的梯度為負值，不易產生失速。所以我們選擇的翼型具有失速范圍寬，升力大等特點。（如圖2、圖3）

輸入相關參數，經過軟件模擬，機翼的迎角范圍理論上可達到-10°到30°，符合載機的工作范圍。機翼翼尖產生的湍流對機翼整體的影響較小，符合設計要求。機翼各部分受力在預期的范圍內，制作材料的剛性可以滿足預設條件。（如圖4）

綜上，我們可以在飛行器上采用CLARK-Y型翼。

1.2.2 平垂尾的選擇。水平尾翼和機翼的功能恰恰相反，它是用來產生負升力的，它起的作用是抬頭力矩，以達到飛機配平的目的。水平尾翼的面積應為機翼面積的20-25%。我們選定22%，計算后得出水平尾翼的面積為61490平方毫米。同時要注意，水平尾翼的寬度約等于0.7個機翼的弦長。在低速條件下垂直尾翼是用來保證飛機的縱向穩定性的。垂直尾翼面積越大，縱向穩定性越好。垂直尾翼面積占機翼的10%。通過計算，垂直尾翼面積約為21511平方毫米。

1.2.3 便攜式設計。在設計時我們將原本1300mm的機翼設計為三段式。暨中翼段640mm和兩個對稱的外翼段330mm，而機翼的鏈接我們用合頁將中翼段和外翼段鏈接，用彈片將其固定。同時，項目組創新的采用了伸縮式機身尾桿。將碳纖維方桿與雨傘的卡扣結構相結合，增強了垂尾的抗扭曲性能，而且這樣我們就可以最大程度的減小了飛行器所占用的空間，達到便攜式的目的。（如圖5）

1.3 飛行器電子設備的選擇

1.3.1 飛行器動力系統的選擇。對于電動機的選擇，項目組本著節約的原則，選擇了Sunnysky公司生產的2216，KV1250型號的電機，即定子直徑為22mm，定子厚度為16m，軸徑3.17mm。根據電動機的選擇，選用APC 1047螺旋槳。經過測試此螺旋槳與電機搭配時的拉力可達到1300g左右。（如圖6）

1.3.2 舵機等設備的選擇。根據電機用戶手冊的電流值，選擇電子調速器為SKYWALKER，40A。但是后期電調發熱嚴重，為了安全考慮，選擇了SKYWALKER，50A電子調速器作為代替。由于飛行中副翼，升降舵受力較大，且對旋轉角度要求比較精準，所以采用了扭矩較大的金屬齒數字舵機。選擇了若干EMAX，ES08AII型舵機控制舵面。電池組采用格氏2600mah，25C，鋰離子聚合物電池。

2 圖傳設備的研究

2.1 圖傳設備的選擇

常規的圖傳包括5.8GHZ圖傳、2.4GHZ圖傳、1.2GHZ圖傳這三種圖傳，但是現在越來越多的人在使用2.4GHZ的遙控設備，它會與2.4GHZ圖傳產生干擾會使得圖傳回傳視頻圖像干擾和遙控設備遙控距離的縮減，而我們所用到遙控設備正好是2.4GHZ所以起初沒有考慮2.4GHZ圖傳設備。我們現有圖傳設備如下：

設備1：Aomway5.8GHZ圖傳 功率 1000mwh

設備2：DJI大疆5.8GHZ圖傳 功率 200mwh

設備3：Aomway1.2GHZ圖傳 功率 200mwh

我們將這三種設備進行了一次較為科學完善的實驗，通過實驗發現通常應用的圖傳設備能不能滿足我們是項目要求。（如圖7）

此外，通過實時觀測發現，這三款圖傳的延遲都很高大約在2S左右，考慮到飛行器的飛行速度約為15m/s左右，這大約兩秒的誤差足以造成不可挽回的事故。為了選擇真正適合的圖傳設備，項目組的目光投向了2.4GHZ圖傳設備。為了少走彎路，項目組將圖傳直接定位在高清數字圖傳，最終選定了一款理論傳輸距離達2km，支持1080p高清數字圖傳的設備。接下來，項目組對于圖傳與遙控器的干擾問題進行探究。（如圖8、圖9）

查閱了大量資料，我們了解到2.4G圖傳與遙控器設備的嚴重干擾是小概率事件的，通過實際測試發現，遙控器與圖傳的干擾確實存在，但是在總計102架次飛行中，嚴重干擾的情況沒有出現。傳輸圖像的清晰度符合第一視角飛行要求。最終我們選擇了DJI lightbridge數字圖傳作為圖傳設備。

2.2 OSD模塊的應用

應用OSD模塊后，可將GPS信號、運動傳感器等信號疊加顯示在顯示屏幕上。這樣，飛手在屏幕上看到的不僅僅是傳回來的高清圖像，還有實時顯示的航向，傾角等飛行數據，便于飛手對飛行器姿態進行判斷與調整。（如圖10）

以下是該OSD模塊的基本參數：

（1）OSD模塊大小：47*26*8毫米；（2）模塊重量：20克

（含GPS模塊）；（3）工作電壓：7～16.8V （支持3S 4S電池）；（4）工作電流：小于100毫安（12V）；（5）雙路電壓檢測范圍：0～16.8V/0～30V

我們將飛行器動力電源引出一根供電線連接在OSD模塊的電源端，實現對OSD模塊和GPS模塊的供電。并實現實時數據傳輸。

2.3 總裝與第一視角飛行實驗

總裝時采用艙壁與設備軟連接的方式，采用泡沫塑料模具填充，可起到保護減震等作用。總裝后試飛成功。后續試驗中飛行器出現了大角度轉彎失速的狀況。根據項目組的推測以及相關數據的支持下，我們調整了副翼的角度，解決了問題。在經過了反復的實驗與調整，飛行器最終可以完成預期的目標。

為了更好地檢驗本項目的成果，“基于第一視角便攜式無人偵察機系統”項目組成員與航模隊成員進行整編，組成兩組隊伍，組成兩個任務組，應用項目的相關成果，參加2015年度“中國國際飛行器設計挑戰賽”。奪得一等獎，二等獎各一項。

參考文獻

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作者簡介：匡銀虎（1973-），男，高級工程師，研究方向：電路與系統。

劉明遠（1995-），男，寧夏大學物理與電子電氣工程學院本科生，研究方向：飛行器設計。