四旋翼無人機(jī)輕量化結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

鐘建衛(wèi) 鐘小華 盧明輝 李志佳 董惠鵬

摘 要：本文以垂直起降載運(yùn)空投四旋翼無人機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)為研究對象，對四旋翼無人機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。采用碳纖維復(fù)合材料，芳綸纖維材料和巴爾沙木材，保證強(qiáng)度有足夠冗余的同時(shí)對四旋翼無人機(jī)機(jī)身進(jìn)行輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)。四旋翼無人機(jī)軸距是466mm，機(jī)架僅重50g，搭配使用10寸的APC螺旋槳，有效載荷可達(dá)3kg，可準(zhǔn)確高效地在火山、地震和洪水災(zāi)區(qū)等危險(xiǎn)環(huán)境中執(zhí)行勘察、拍攝和運(yùn)載物品等任務(wù)。

關(guān)鍵詞：四旋翼無人機(jī)；輕量化結(jié)構(gòu)；復(fù)合材料

中圖分類號：V279 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近幾年，多旋翼無人機(jī)迅速發(fā)展，尤其是四旋翼無人機(jī)，以其操作簡單、機(jī)動(dòng)靈活、易于起降等優(yōu)點(diǎn)迅速占領(lǐng)無人機(jī)市場。然而市面上的四旋翼無人機(jī)續(xù)航時(shí)間普遍較短，載重量小等缺點(diǎn)致使無人機(jī)不能很好地完成任務(wù)。柴永生等設(shè)計(jì)了以傾側(cè)旋翼來轉(zhuǎn)換方向的一種新型四軸飛行器，實(shí)現(xiàn)四軸無人機(jī)的垂直起降，并通過旋轉(zhuǎn)旋翼提供前進(jìn)的動(dòng)力，然而機(jī)身的重量達(dá)到了5kg，載重能力還是有限，最大僅能攜帶1.67kg的重物，不利于執(zhí)行任務(wù)救援、投放物資等任務(wù)。大疆創(chuàng)新科技有限公司的產(chǎn)品MG-1最大載重量可達(dá)10kg，但對稱電機(jī)軸距1500mm，導(dǎo)致整機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)不能通過一些狹窄的地段，同時(shí)飛行快速反應(yīng)慢。本文設(shè)計(jì)一種輕量化、有效載荷大的四旋翼無人機(jī)，同時(shí)保證無人機(jī)有足夠冗余的強(qiáng)度。

1 四旋翼無人機(jī)設(shè)計(jì)

四旋翼無人機(jī)主要由上下兩部分組成：正X型機(jī)架、艙體。正X型機(jī)架負(fù)責(zé)飛行，艙體負(fù)責(zé)運(yùn)輸或搭載物品設(shè)備。如圖1整體結(jié)構(gòu)示意圖所示，正X形機(jī)架包括兩根互相交叉的碳纖維方管、改進(jìn)后使用T300-3000碳纖維板材料的中心座以及兩種不同高度的電機(jī)座裝配體，艙體由多根T300-3000碳纖維方管以及巴爾沙層板組成，腳架集成在艙體下部，結(jié)構(gòu)采用籃子四腳式，艙體外圍由極細(xì)的芳綸纖維復(fù)合材料包覆使艙體一體化。

1.1 四旋翼無人機(jī)飛行機(jī)架設(shè)計(jì)

四旋翼無人機(jī)機(jī)架布局采用正X形機(jī)架，相比HX形機(jī)架以及異形機(jī)架，正X形機(jī)架更加靈活、簡便，也更加容易操縱，重量上也相對較輕。四旋翼無人機(jī)機(jī)架以碳纖維復(fù)合材料和巴爾沙木材為主材料，選用兩根外徑4mm×4mm，內(nèi)徑3mm×3mm的碳纖維方管交叉形成正X機(jī)架，電機(jī)座部分和中心座選用1mm厚T300-3000碳纖維板由立式銑床加工減少手工誤差。大電機(jī)座長寬高尺寸為34mm×34mm×26mm，小電機(jī)座的長寬高尺寸為34mm×34mm×16mm，利用電機(jī)座間的高度差以彌補(bǔ)碳纖維方管交叉所形成的高度差，改進(jìn)前的電機(jī)座僅使用輕木層板材料，但試驗(yàn)過程中屢次損壞，對電機(jī)座改進(jìn)優(yōu)化，重要受力部件更換T300-3000碳纖維板，并對改進(jìn)后的電機(jī)座做受力分析。同時(shí)，碳纖維圓管只能約束電機(jī)座的4個(gè)自由度，繞碳纖維圓管旋轉(zhuǎn)的自由度難以控制，使用碳纖維方管代替碳纖維圓管，電機(jī)座配合的位置也改成方孔減少旋轉(zhuǎn)軸的誤差，碳纖維方管較碳纖維圓管更適用于結(jié)構(gòu)方面，承載能力強(qiáng)，搭建結(jié)構(gòu)和搬運(yùn)方便。固定電機(jī)的部位以及與碳纖維方管連接的部位選用1mm厚T300-3000碳纖維板進(jìn)行加工，電機(jī)座的具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.2 四旋翼無人機(jī)一體式艙體設(shè)計(jì)（圖3）

艙體采用下掛式與四旋翼無人機(jī)機(jī)架連接，下掛式使四旋翼無人機(jī)整體中心下移，增加執(zhí)行飛行任務(wù)的自身穩(wěn)定性。框架式的艙體使得在載重上允許使用更小的碳纖維圓管，貨倉的主體框架選用外圓直徑4mm，內(nèi)圓直徑3mm的碳纖維圓管，碳纖維管連接部分選用2mm巴爾沙層板木材。

2 四旋翼無人機(jī)性能試驗(yàn)

對改進(jìn)后的四旋翼無人機(jī)進(jìn)行3個(gè)方面試驗(yàn)：續(xù)航時(shí)效、載重能力及主要受力電機(jī)座強(qiáng)度性能。

（1）使用22.2Wah的電池進(jìn)行試驗(yàn)，四旋翼無人機(jī)在無負(fù)重載荷的情況下，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 續(xù)航時(shí)間對比

機(jī)型 電池容量（Wah） 續(xù)航時(shí)間（min）

四旋翼無人機(jī) 22.2 20

DJI Phantom 4 PRO 89.2 30

自組DIY四旋翼無人機(jī) 22.2 5

從表1可以得出，本文設(shè)計(jì)的四旋翼無人機(jī)使用22.2Wah的電池，續(xù)航能達(dá)到20分鐘，而大多數(shù)自組DIY的四旋翼無人機(jī)同樣使用22.2Wah的電池，續(xù)航時(shí)間僅有5分鐘，大疆創(chuàng)新科技有限公司產(chǎn)品Phantom 4 PRO使用89.2Wah的電池，續(xù)航時(shí)間30分鐘左右，本文四旋翼無人機(jī)續(xù)航時(shí)間較自組DIY四旋翼無人機(jī)相對增加了300%，比Phantom 4 PRO的續(xù)航時(shí)間增加了167.9%，本文設(shè)計(jì)的四旋翼無人機(jī)續(xù)航時(shí)間得到有效提升。

（2）四旋翼無人機(jī)機(jī)身整體重量僅50g，相比大疆創(chuàng)新科技有限公司的產(chǎn)品風(fēng)火輪機(jī)架，重量同比減少466%，總運(yùn)載能力增加20%，使用22.2Wah的電池，有效載荷能達(dá)到3kg。

（3）模擬電機(jī)座在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的受力狀況，使方孔完全約束，對4個(gè)圓孔施加均布載荷11.5N向上的拉力，使用SolidWorks Simulation做靜應(yīng)力分析，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以得出，4個(gè)圓孔是受力最大的地方，靜應(yīng)力大約為5.0×107N/m2，T300-3000碳纖維材料的屈服強(qiáng)度為9.3×108N/m2，因此，改進(jìn)后的電機(jī)座有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

結(jié)語

改進(jìn)后的四旋翼無人機(jī)在手工制作上減少了更多的誤差，將誤差控制在允許無人機(jī)制造范圍內(nèi)。四旋翼無人機(jī)在結(jié)構(gòu)上優(yōu)化至極致，使得四旋翼無人機(jī)改進(jìn)后沒有冗余結(jié)構(gòu)，在性能上有了進(jìn)一步提升，運(yùn)載能力得到有效的提升。四旋翼無人機(jī)大量采用復(fù)合材料，增加了四旋翼無人機(jī)整體強(qiáng)度，使得無人機(jī)在長時(shí)間飛行中可以更加高強(qiáng)度的執(zhí)行任務(wù)。

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