飛控相對平衡控制演示無人機

劉月升

項目背景

多旋翼無人機因為結(jié)構(gòu)簡單，操作方便等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于航拍航測、消防安全、軍事、農(nóng)業(yè)等方方面面，并逐步走近普通消費者。為了更直觀地展示多旋翼動力旋翼組件安裝的穩(wěn)定原理和讓學(xué)生更深入地理解無人機的安裝技術(shù)原則，我考慮再三后決定設(shè)計一個飛行控制相對穩(wěn)定的無人機，以驗證只要保持飛行控制裝置的水平安裝面與旋翼水平安裝面平行，就能始終保持飛機相對穩(wěn)定的飛行。通過設(shè)計我也偶然發(fā)現(xiàn)，通過增加一些相關(guān)的配件還能使無人機具備橫向移動、空中調(diào)整拍攝角度、全地形起降等功能。

設(shè)計方案

我把無人機的結(jié)構(gòu)設(shè)計成平行聯(lián)動結(jié)構(gòu)，使無人機的飛行控制裝置在機身的變形情況下始終與4個旋翼保持水平平行狀態(tài)。

本無人機由機身支架、舵機、雙層同步輪、雙層同步輪內(nèi)安裝平面、方臺、前同步帶輪、后同步帶輪、延長桿、電機螺旋槳動力組合、飛行控制裝置（以下簡稱“飛控”）、動力電源、變形控制電子裝置等構(gòu)成（見圖1和圖2）。

包括機身支架和機身支架上安裝的4活結(jié)（前后各2）內(nèi)孔各穿入1根延長桿，機身支架中間部分安裝方臺，方臺內(nèi)孔穿過傳動軸，傳動軸中間部位固定連接雙層同步輪，舵機輸出軸與傳動軸連接，舵機固定安裝于一側(cè)機身支架的中間部位，雙層同步帶輪上掛裝2同步帶，2同步帶分別連接前同步帶輪和后同步帶輪，2同步帶輪分別與前后2根延長桿固定連接，雙層同步帶輪上有1方孔，方孔中的安裝平面安裝飛控或飛控水平傳感器部分，延長桿兩端安裝電機和螺旋槳動力組合。

無人機主體結(jié)構(gòu)采用碳纖維材料制作，并可根據(jù)需要更換不同起落架。無人機采用22.2V電壓、容量12000mA鋰聚合電池供電。遙控器采用標(biāo)準(zhǔn)2.4G航模比例遙控器。無人機起飛重量4kg，動力部分采用4個5010盤式電機和17英寸螺旋槳。

為滿足全地形起降功能，無人機專門安排了2種起落架供更換，一種為山地平原起落架，一種為沼澤與水上起落架。

研制過程

我最初設(shè)計的結(jié)構(gòu)為H形，但發(fā)現(xiàn)這樣會使合頁的使用增加，結(jié)構(gòu)上更復(fù)雜，因此我又把結(jié)構(gòu)設(shè)計為雙工字形，同時中心支架采用鋁合金型材，易于保證結(jié)構(gòu)的剛性和精巧性，其他結(jié)構(gòu)件采用碳纖維管制作，用鋁合金三通管固定，保障結(jié)構(gòu)的剛性。主體結(jié)構(gòu)完成后再安裝動力電機、飛控、接收機，并連接電源線、信號線等。制作完成后進行實際的飛行測試，我發(fā)現(xiàn)了幾個問題。

演示效果不明顯。因為結(jié)構(gòu)的設(shè)計原因，造成演示效果不突出。

結(jié)構(gòu)不太牢固，變形超出了允許范圍。

4個起落架部分和電機旋翼部分是連在一起的，造成變形飛行時的壓力太大，使變形舵機和相關(guān)的傳動組件的阻力過大，對變形造成困難。

旋翼和電機的功率稍顯不足，衍生功能如水中帶浮筒起飛稍顯吃力。

整體工藝稍顯粗糙。

針對這些問題對原有的無人機進行了改進。改進后再次進行飛行測試。水平情況下起飛，狀況良好，空中變形飛行、旋停、低速、高速、轉(zhuǎn)彎等各項目飛行狀況良好。負(fù)重飛行測試時，分別吊裝1～5瓶450 mL礦泉水測試以上各項飛行任務(wù)，同樣達到要求。然后我又選取15°、30°、45°角的不同坡度進行起降實驗，實驗得出本無人機最大變形角度為50°，即可在最大坡度50°的斜坡上輕松起降。然后又實驗了水上起降、橫向移動、陸地上起降和橫向移動等項目。橫向移動的最大速度可達到30km/h，實現(xiàn)了無人機陸空、水空的高速轉(zhuǎn)移。加裝上攝影云臺后還試驗了空中無遮擋攝影操作，非常方便實用。

無人機變形工作過程

無人機在飛行過程中需要變形時，水平控制部分或遙控控制部分發(fā)出控制指令給舵機6，控制舵機6轉(zhuǎn)動一定角度，舵機6直接帶動傳動軸9作同向轉(zhuǎn)動，并帶動與傳動軸9固定連接的雙層同步帶輪1同向轉(zhuǎn)動，同時帶動掛在雙層同步帶輪1上的同步帶10和同步帶5，聯(lián)動帶動掛在同步帶10上的前同步帶輪2和掛在同步帶5上的后同步帶輪3同向轉(zhuǎn)動，同步帶動固定在前同步帶輪2和后同步帶輪3上的2根延長桿7和固定在2根延長桿7上的電機和螺旋槳動力組合8作同向轉(zhuǎn)動。以上這個過程就使固定在雙層同步帶輪1上方孔4內(nèi)的安裝平面11上的飛行控制裝置（或飛控水平傳感部分）15的水平安裝面，始終能和多旋翼的電機和螺旋槳動力組合8的安裝平面保持同步平行狀態(tài)，因此不論舵機6如何轉(zhuǎn)動，也不會影響飛行控制器（或飛控水平傳感部分）15對多旋翼的水平自穩(wěn)的控制。因此可實現(xiàn)空中飛行過程中多旋翼的相對變形，以滿足飛行中的不同需要。

該項目獲得第32屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該項目利用無人機相對控制原理對無人機進行了改進，增強了演示效果，又滿足了實際飛行的需要。該項目原理科學(xué)，概念清晰，構(gòu)思巧妙，設(shè)計合理，作品教育性強。項目選題新穎，具有實質(zhì)性創(chuàng)新，對傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價值。項目資料齊全，研究報告書寫規(guī)范。希望該項目在教學(xué)設(shè)計方面作出改進和提升。