一種模塊化多旋翼無人機(jī)的設(shè)計

吳林晉 王建國 湯瑾

摘 要：針對傳統(tǒng)無人機(jī)部件布局單一、起飛重量低，載重能力小，飛行時間短而局限了無人機(jī)的使用范圍的問題，對模塊化無人機(jī)的建模，無人機(jī)主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計和無人機(jī)間的裝配與控制等方面進(jìn)行了研究。以多模塊無人機(jī)拼接，多自由度空中飛行為主要特點，并以解決多旋翼無人機(jī)起飛重量低，飛行時間短為目標(biāo)，提供了模塊化無人機(jī)的設(shè)計方案。使用SOLIDWORKS三維建模軟件對模塊化無人機(jī)進(jìn)行基本建模，設(shè)計了模塊與模塊間的連接結(jié)構(gòu)，并計算模塊化無人機(jī)以多模塊拼接成鏈狀飛行中自由度的計算方法。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；模塊化；自由拼接；結(jié)構(gòu)設(shè)計

在2010年之前，固定翼和直升機(jī)無論在航拍還是航模運動領(lǐng)域，基本占有絕對主流的地位。然而，在之后的幾年中，由于多旋翼具有最簡單的操控性，具有最出色的可靠性，具有最高的勤務(wù)性迅速成為航拍和航模運動領(lǐng)域的新星。至今為止，圍繞多旋翼飛行器的相關(guān)創(chuàng)意、技術(shù)、產(chǎn)品、應(yīng)用和投資層出不窮。目前，多旋翼已經(jīng)成為微小型無人機(jī)或航模的主流。[1]

但由于多旋翼無人機(jī)能量轉(zhuǎn)換率底下，續(xù)航時間短，承載能力低，成為了多旋翼無人機(jī)發(fā)展的重要瓶頸。無人機(jī)的廣泛開發(fā)與應(yīng)用，給人們的生活方面帶來了很大改善和便利，無人機(jī)運輸物資，無人機(jī)噴灑農(nóng)藥等都在無人機(jī)載重和續(xù)航方面對多旋翼無人機(jī)的改善提出了要求。因此，為了提高多旋翼無人機(jī)的載重及續(xù)航能力，本研究設(shè)計創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的模塊化無人機(jī)，工作需要時根據(jù)需要數(shù)目將多模塊簡單拼接結(jié)合成不封閉開鏈狀無人機(jī)群或結(jié)合成封閉閉鏈無人機(jī)組，完成相關(guān)飛行任務(wù)，在無人輸送物品，無人機(jī)載重飛行，無人機(jī)編隊表演飛行有重要應(yīng)用前景。

模塊化無人機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計

模塊化無人機(jī)擁有以下幾個特點：（1）模塊化多旋翼無人機(jī)擁有任意數(shù)量拼接均可起飛的特點，即每一個多旋翼模塊均可以以單獨個體作為無人機(jī)進(jìn)行基本的飛行工作，每個模塊均含有機(jī)架，電池，電機(jī)（一對），步進(jìn)電機(jī)，飛行控制器，遠(yuǎn)程遙控接收器等多旋翼無人機(jī)必要構(gòu)建組成。（2）模塊化多旋翼無人機(jī)可以拼接成不封閉開鏈狀無人機(jī)群或結(jié)合成封閉閉鏈無人機(jī)組完成相關(guān)飛行任務(wù)。模塊化多旋翼無人機(jī)通過機(jī)架兩側(cè)的連接裝置可與另外兩個模塊化無人機(jī)相連接，多加無人機(jī)拼接而成，使得無人機(jī)的載重能力大大提高。同時，也因為多架無人機(jī)的相關(guān)作用，可在外界風(fēng)阻大時改變飛行姿態(tài)，多架無人機(jī)以最小接觸面迎風(fēng)，大大提高在飛行時的抗風(fēng)能力，相對續(xù)航能力也有所提高。也由于多模塊組合，提供了多組旋翼，機(jī)動性也大大提升。

主要模塊化無人機(jī)結(jié)構(gòu)如下：

（1）機(jī)架結(jié)構(gòu)（圖中編號1）其作用主要是承載無人機(jī)上的所有重量及各機(jī)構(gòu)的布局。機(jī)架的大小及形狀基本決定無人機(jī)的基本大小及形狀。

（2）機(jī)臂及動力電機(jī)機(jī)構(gòu)（圖中編號2）機(jī)臂是無人機(jī)在飛行的主要受力部分，機(jī)臂上設(shè)置動力電機(jī)，為無人機(jī)提供所需動力。

（3）模塊間連接機(jī)構(gòu)（圖中編號3）模塊間連接機(jī)構(gòu)是模塊化多懸翼無人機(jī)的重要組成機(jī)構(gòu)，模塊化無人機(jī)利用此機(jī)構(gòu)將與另外兩個最小無人機(jī)模塊相連接，由此組合成多模塊無人機(jī)組。

1. 機(jī)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計

機(jī)架結(jié)構(gòu)主要由3mm碳纖維管構(gòu)成，碳纖維管機(jī)架有強(qiáng)度高，同體積下質(zhì)量小等優(yōu)點。機(jī)架上安裝有機(jī)臂，步進(jìn)電機(jī)，無人機(jī)模塊間連接機(jī)構(gòu)等部分。

1. 機(jī)臂及動力電機(jī)機(jī)構(gòu)的設(shè)計

電機(jī)選擇kV2600型無刷動力電機(jī)，為無人機(jī)提供升力及轉(zhuǎn)向力。電機(jī)通過機(jī)臂上的步進(jìn)電機(jī)帶動皮帶可帶動動力電機(jī)轉(zhuǎn)向，提供無人機(jī)的翻滾和橫滾力。機(jī)臂中間位置使用一堆止推軸承與機(jī)架連接，相鄰放置飛行控制器，GPS，遠(yuǎn)程遙控接受機(jī)等電子傳感器。由于機(jī)臂的振動會導(dǎo)致整體無人機(jī)的飛行狀態(tài)不平穩(wěn)，機(jī)臂的材料不宜選擇剛度較大的碳纖維，輕木等常用無人機(jī)機(jī)身材料，而采用剛度較低的丙烯酸塑料，減小動力電機(jī)在工作時產(chǎn)生的振動。

1.3 模塊間連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計

連接機(jī)構(gòu)設(shè)置在機(jī)架的前后兩端，最外端為永磁鐵，利用永磁鐵的磁性將模塊間連接形成多旋翼無人機(jī)組合。另外，連接機(jī)構(gòu)使用球轉(zhuǎn)副運動機(jī)構(gòu)，提供空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)3個自由度，便于無人機(jī)在飛行時的飛行姿態(tài)的修改。球轉(zhuǎn)運動副的公母頭結(jié)合處分別設(shè)置在機(jī)架的兩端，兩個相同的模塊化多旋翼無人機(jī)通過公頭結(jié)合處與母頭結(jié)合處連接，其他任意數(shù)目的模塊化無人機(jī)組結(jié)合以此類推。

模塊化多旋翼無人機(jī)自由度的分析

（1）組成開鏈無人機(jī)組情況：開鏈無人機(jī)組即構(gòu)成了不封閉形狀的無人機(jī)組，假設(shè)模塊化多旋翼無人機(jī)組由N個最小模塊化構(gòu)成，則其自由度為F=6N-3（N-2）。（注：空間機(jī)構(gòu)自由度為6，每個球轉(zhuǎn)副限制3個自由度，開鏈無人機(jī)組的最小無人機(jī)模塊數(shù)N=1，2，3…）

（2）組成閉鏈無人機(jī)組情況：閉鏈無人機(jī)組即構(gòu)成了封閉形狀的無人機(jī)組，假設(shè)模塊化多旋翼無人機(jī)組由N個最小模塊化構(gòu)成，則其自由度為F=6N-3N。（注：空間機(jī)構(gòu)自由度為6，每個球轉(zhuǎn)副限制3個自由度，開鏈無人機(jī)組的最小無人機(jī)模塊數(shù)N≥3）

結(jié)果表明：模塊化多旋翼無人機(jī)在組合后自由度大大增加，可在飛行中呈現(xiàn)多種可變化的飛行姿態(tài)，是一種新型的無人機(jī)的表演形式。

3 結(jié)語

本研究自主設(shè)計了一種模塊化的多旋翼無人機(jī)，針對本無人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了主要分析，并且通過三維軟件建模和其自由度的計算得知此方案是可行且此設(shè)計是合理可靠的。

在下一階段，本研究將深入研究模塊化無人機(jī)的控制及應(yīng)用，為模塊化多旋翼無人機(jī)的投入使用提供相關(guān)的理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]全權(quán).解密多旋翼發(fā)展過程[J].機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，2015（2）.