便攜折疊式民用多功能無人飛行平臺的整機設計

李煜+鄒學書+胡文宇+徐敏+黃毅+苗峰

摘要：本文介紹了一種民用多功能便攜式無人飛行平臺的設計與制作思路。該飛行器采用了3段式機翼折疊方式，2段式機身折疊方式，具備搭載偵測設備及傳感器等對地面及管線進行實時監測。其維護簡單，使用方便，成本低廉，可以節省大量的資源及人力。

關鍵詞：無人機；多任務平臺；便攜式

中圖分類號：V279+.2 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）43-0071-03

隨著無人機技術的快速發展，其應用迅速從軍用進入了民用。自一開始的軍用“靶機”到如今的專業級商用無人機和消費級個人無人機，民用無人機迅猛的發展勢頭讓一大批諸如大疆、零度指控、極飛科技、億航智能的科技公司受益匪淺。如今我國的小型無人機制造業已經占據了全球70%以上的份額，但是，涉足民用多功能無人飛行平臺這一領域的卻顯得略為冷清。

一、應用前景

1.天然氣及石油管道巡查。隨著我國現代化建設的不斷加強，社會對能源的需求在迅速增加。我國目前已有大量的天然氣及石油管道，這些管道距離長、跨度大，且絕大部分都是途徑野外，甚至沙漠、沼澤等地。一旦發生火情或災情，就會造成重大經濟損失，故急需消防部門具有遠程、即時的監控能力，機動、快速的撲滅能力。

2.電力巡線。隨著我國經濟快速發展，對能源的需求越來越大，超高壓大容量電力線路正大幅擴建。到2020年，中國將建成15個特高壓直流輸電工程，并成為世界上擁有直流輸電工程最多、輸送線路最長、容量最大的國家。而輸電線路跨區域分布，點多面廣，所處地形復雜，自然環境惡劣，輸電線路設備長期暴露在野外，受到自然侵蝕以及人為因素的影響而產生倒塔、斷股、磨損、腐蝕、舞動等現象，這些情況必須及時得到修復或更換。而人力巡線費時費力，故而無人機巡線大有可為。

3.森林防火。當發生森林火災，尤其在森林火災發生時火場上空能見度低，即使是航護飛機能達到火場上空，觀察員也無法詳細觀察到地面火場情況，而在這種情況下飛行又存在著安全隱患。無人機能克服航護飛機的這一不足，通過搭載攝像設備和影像傳輸設備，可隨時執行火警偵查和火場探測任務。無人機可以全天候地在空中對林區進行勘查，及時發現火情、報告火場位置、采取行動將火災消滅在初期；無人機配備熱敏設備，按預定航跡對林區進行空中巡查。并將空中巡查獲取數據實時傳回地面測控站，地面測控站將實時圖像通過網絡傳給防火值班部門。對于可疑點或區域，通過遙控指令可改變無人機飛行航跡及飛行高度進行詳查，詳查圖像通過無線鏈路實時傳回地面。對已出現火情的地區進行空中火情態勢觀察，使滅火指揮部門迅速有限組織、部署滅火隊伍，提高滅火作戰效率，防止救火人員傷亡。

4.邊境巡查。在環境極其惡劣的邊境地區，無人機能有效地代替邊防士兵進行邊境巡邏，減少士兵在惡劣環境下的作業時間，提高邊境巡邏效率。另如在環境監測、植物保護、緊急搜救、影視業、房地產及測繪等領域有十分廣泛的應用前景。

二、試驗原型機

本文所介紹的無人飛行平臺是以大容量鋰電池為動力的固定翼無人機，采用半自主遙控飛行模式，其結構簡單、性能可靠、安全性高。相比傳統的固定翼無人機，該機使用了三段式折疊冀，兩段式折疊機身，縮小后的體積可以到達不超過1600MM，便于運輸管理。其起飛方式即可滑跑也可手拋，滿足了多種地形的使用需求。該飛行平臺亦可搭載多型設備，配合地面站完成多種任務。

三、整機系統設計

1.對于翼型的選擇設計。因該型無人機需搭載較多的監測傳感設備，且需有一定的巡航留空能力，故而在多方考慮后選擇了低雷諾數下高升阻比的翼型。我們選取了固定翼較為常見的5種翼型并對其采用xflr5進行比較分析。

原型機預計特征長度為1600CM，平均弦長35CM，空載重量為1200G，巡航速度12M/S。簡單計算得出其巡航時雷諾數約為285000，升力系數約為0.25。

由圖1可知，當迎角在較小范圍內，Benedek 10355 B翼型具有較好的升力系數。當迎角超過10°后，Benekek 10355 B其升力系數達到最大后開始下降，而CLARK Y翼型則保持較好的升力系數。這一數據說明CLARK Y翼型具有較好的迎角范圍，不容易失速。

由圖2可知，CLARK Y翼型在迎角為10°時其阻力系數最小。NACA 009翼型在負迎角范圍內阻力系數最小。

由圖3可知，在不同迎角下，CLARK Y翼型都具有良好的升阻比。其氣動性能經過XFLR 5優化后可達到最大升力系數下限1.0；最大失速迎角>10°?？紤]到較極端天氣下的工作環境，我們選擇安全性較高的CLARK Y翼型作為我們飛行平臺的機翼翼型。

2.對機身及機翼折疊機構的設計。折疊機翼的目的是為了便于運輸、攜帶、和管理。國內外近幾年來對折疊翼飛機有了許多研究，國外大多采用“Z型”折疊翼。例如LOVE等介紹了洛克希德·馬丁的變形機翼飛行器，該飛行器采用了一種“Z型”折疊翼；對此，Snyder等對機翼進一步做了振顫和振動特性分析，Tang等研究了其氣動特性；Wang等對不同數量翼面的折疊翼飛機模型的氣動彈性和結構動力學做了相關研究。但是“Z型”折疊翼結構復雜，維護成本高，所以選用了常規的三段式兩側折疊翼的折疊方式。

對于機翼的折疊機構，考慮到“Z型”折疊翼的缺點和該無人飛行平臺的工作環境等因素，最后在機翼下翼面采用了合金彈簧合頁作為連接，機翼上翼面采用金屬卡扣作為固定裝置，對機翼翼梁用碳纖維環氧樹脂增強體復合材料來加固，以確保機體強度。

對于機身折疊機構，在機腹后端采用金屬卡扣作為固定裝置，機身背部后端以合金彈簧合頁作為連接，接觸的兩個斷面用復合材料加強，保證機體強度。

3.對于控制系統及動力系統的選擇。通過多驗證原型機的實驗，搭載設備后的整機重量在1.7KG左右。為了保證飛行平臺的長航時和安全可靠，選取了兩個朗宇X2216，KV1250的無刷電機作為動力源，其拉力測試表見表1。

根據測試表中的數據，為了提高電機效率，增加巡航航程與留空時間，選用9050漿，60A銀燕無刷電子調速器相搭配作為動力輸出組，選用3S 10000mA/H的鋰電池提供動力支持；另外還需5顆銀燕9克金屬齒舵機、與電子接收機作為傳動控制系統；使用PIX飛行控制芯片與地面站配合組成飛行控制系統。

四、整機機體結構與外形設計

首先利用solodworks軟件進行整體三維建模，并進行簡單的有限元計算。對于應力集中的結構件進行優化設計及標注。然后將solodworks的三維圖形分解為二維平面圖形并打印圖紙，利用aotucad軟件進行二維排版并使用大型激光切割機切割部件。其后按照設計圖紙將各個部件進行搭建粘接。搭建粘接的步驟從易到難：從機尾到機翼然后到機身。搭建粘接完畢后對整機進行打磨蒙皮，安裝電子設備。最后是折疊機構的安裝與連接。

五、搭載設備的選擇與安裝

該飛行平臺可搭載500—1000G的設備進行作業。安裝高清攝像機及Amimon CONNEX數字圖像傳輸系統時，能在100米的高空對地面進行精確監視并實時回傳圖像。實際測試中，該圖傳設備在3KM內的范圍內能穩定工作。且該飛行平臺在不同的任務需求中，可選擇更換所搭載的設備進行作業。例如搭載熱敏煙敏設備進行森林防火巡查，搭載紅外設備進行邊境巡查及野外搜救等。

六、實際測試

在測試場地選取不同地形的場地，地面擺放50×50cm的正方形標靶，標靶上寫有阿拉伯數字及字母。在離標靶1000米處用無人機在百米高空查看地面，可以準確看到標靶上所寫數字。

七、結論

本文主要介紹了一種民用的多功能無人飛行平臺的設計思路，并從前期論證討論到后期試驗機的設計制作以及最后的實際測試做了簡要的論述。無人機應用前景廣闊，能有效擔任浪費人力資源的一些工作，提高工作效率，節省資金。其次，對目前常用的固定翼無人機翼型進行了分析比較，選出了CLARK Y翼型，但是對于翼型的優化設計還有待進一步的學習提高。最后對于該飛行平臺的測試只是進行了不同時間不同地形的場地測試，對于較極端環境的測試評估需要做更多的研究。

參考文獻：

[1]黃愛鳳，鄧克緒.民用無人機發展現狀及關鍵技術[C].

[2]陳軍.開發消防型民用無人機大有可為[J].航空科學技術，2004，（1）：37.

[3]梅小寧，楊樹興，陳軍.低雷諾數小型折疊無人機翼型優化設計[J].航空計算技術，2010，40（1）：15.

[4]郭小良，裴錦華，楊忠清，等.無人機折疊機翼展開運動特性研究[J].南京航空航天大學學報，2006，38（4）：438-441.

[5]徐聲明，祝小平，周洲.箱式發射無人機的一種變體機翼設計思想研究[J].飛行力學，2008，26（5）：17-19.

[6]李莉，任茶仙，張鐸.折疊翼機構展開動力學仿真與優化[J].強度與環境，2007，34（1）：17-21.

[7]吳愛民，宋迎剛，楊帥，焦昆，張靖.便攜式農用無人機整體設計[J].現代農業科技，2016，（8）：186-187.

[8]LOVE M H，ZINK P S，STROUD R L，et al.Impact of actuation concepts on morphing aircraft structures[R].AIAA-2004-1724，2004.

[9]SNYDER M P，SANDERS B，EASTEP F E，et al.Vibration and flutter characteristics of a folding wing[J].Journal of Aircraft，2009，46（3）：791-799.

[10]SCARLETT J N，CANFIELD R A.Multibody dynamic aeroelastic simulation of a folding wing aircraft[R].AIAA-2006-2135，2006.

[11]WANG I，GIBBS S C，DOWELL E H.Aeroelastic model of multisegmented folding wings：theory and experiment[J].Journal of Aircraft，2012，49（3）：911-921.

[12]WANG I，DOWELL E H.Structural dynamics model of multisegmented folding wings：theory and experiment[J].Journal of Aircraft，2011，48（6）：2149-2160.