傾轉(zhuǎn)三旋翼無人機(jī)部分參數(shù)選擇與優(yōu)化

衡 磊 王 偉 郝一騰 吳 苑

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 句容212400）

傾轉(zhuǎn)三旋翼無人機(jī)是一種特殊結(jié)構(gòu)的旋翼飛行器, 其既擁有直升機(jī)垂直起降和空中懸停的獨(dú)特能力，又擁有固定翼無人機(jī)高速巡航飛行的能力，航程比多旋翼無人機(jī)更遠(yuǎn)、航速更高，以及具有比固定翼無人機(jī)更高的機(jī)動(dòng)性并且其需要起降的區(qū)域更小。可用于電力巡線、森林火險(xiǎn)偵察等民用領(lǐng)域,也可部署在小型水面艦艇執(zhí)行軍事任務(wù),具有廣闊的應(yīng)用前景。[1]

1 飛行器的部分飛行模式的實(shí)現(xiàn)

所有飛機(jī)飛行的原理都能夠追溯到第一臺(tái)飛機(jī)的誕生（1903 年12 月17 日）。萊特兄弟制造的第一架飛機(jī)“飛行者1號(hào)”在美國北卡萊納州試飛成功，印證了旋翼可以實(shí)現(xiàn)人們對(duì)天空的夢想。[2]

傾轉(zhuǎn)三旋翼無人機(jī)主要是通過電子調(diào)速計(jì)調(diào)控三個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速繼而達(dá)到改變旋翼的轉(zhuǎn)速的目的，最終完成升力的變化，操控?zé)o人機(jī)的姿態(tài)模式和位置。從操控過程可以分解成三部分，分別為三旋翼垂直起降、懸停和空間六自由度低速位移、固定翼長航時(shí)高速飛行、三旋翼和固定翼操控之間過渡階段。三旋翼飛行器俯視圖如圖-1 所示，主要由旋翼、機(jī)臂、電機(jī)和飛行控制器等組成，其部分飛行原理描述如下：

1.1 垂直起降

通過電子調(diào)速器調(diào)控使得三個(gè)電機(jī)逐漸加快旋轉(zhuǎn)，直至機(jī)體的重力與旋翼的升力相同，此時(shí)，飛行器能夠保持垂直運(yùn)動(dòng)的懸停狀態(tài)。通過對(duì)電機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)，使得三個(gè)電機(jī)同時(shí)增加（減少）一定的轉(zhuǎn)速，使3 個(gè)旋翼總升力增加（減少）。此時(shí)，實(shí)現(xiàn)飛行器的垂直上升（降落）。

1.2 巡航運(yùn)動(dòng)

飛機(jī)以三旋翼模式起飛，當(dāng)飛機(jī)飛到一定高度舵機(jī)開始傾轉(zhuǎn)，電機(jī)3 開始減小轉(zhuǎn)速，當(dāng)飛機(jī)轉(zhuǎn)為水平飛行后，升力主要由機(jī)翼產(chǎn)生，飛機(jī)機(jī)翼產(chǎn)生的升力足以維持飛機(jī)在空中的狀態(tài)時(shí)，旋翼3 因不再需要提供動(dòng)力而停止旋轉(zhuǎn)，旋翼1 和旋翼2 轉(zhuǎn)為水平狀態(tài)，為飛機(jī)提供向前的拉力。此結(jié)構(gòu)傾轉(zhuǎn)翼無人機(jī)如果前后槳葉大小一樣，在水平飛行時(shí)則會(huì)消耗更多的電能且效率低下，故將無人機(jī)槳葉設(shè)計(jì)成前小后大的結(jié)構(gòu)，使其具有更高效的運(yùn)動(dòng)性能。

2 三旋翼傾轉(zhuǎn)無人機(jī)的硬件組成

針對(duì)控制系統(tǒng)的功能分析，不同傾轉(zhuǎn)三旋翼無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)硬件選取不同。本設(shè)計(jì)硬件主要成分包括飛行控制系統(tǒng)、傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、空壓計(jì)、電子調(diào)速器、無刷電機(jī)、導(dǎo)航模塊、GPS 接收器、通信模塊等。在后期執(zhí)行相關(guān)任務(wù)時(shí)還可以根據(jù)不同任務(wù)增加（更換）不同載荷。

圖1 三旋翼飛行器俯視圖

圖2 從多旋翼轉(zhuǎn)變成固定翼模式流程圖

2.1 傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)的每個(gè)電機(jī)都可以通過飛控來獨(dú)立控制，飛控有內(nèi)置的陀螺儀、羅盤另加上GPS 模塊可以判斷飛機(jī)的姿態(tài)，可實(shí)時(shí)對(duì)飛機(jī)旋翼進(jìn)行調(diào)整，維持飛機(jī)的正常飛行姿態(tài)。傾轉(zhuǎn)翼無人機(jī)的特點(diǎn)在于用傾轉(zhuǎn)式舵機(jī)代替了傳統(tǒng)的鉸接式旋翼，它是一種角度伺服驅(qū)動(dòng)器，由飛控發(fā)出控制信號(hào)給舵機(jī)，再由內(nèi)置馬達(dá)帶動(dòng)擺臂，實(shí)現(xiàn)槳葉角度的不斷變化并讓飛機(jī)保持合適的飛行姿態(tài)。

2.2 氣壓傳感器

傾轉(zhuǎn)三軸復(fù)合翼無人機(jī)原件中采用了氣壓傳感器，是為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測三軸復(fù)合翼無人機(jī)飛行的飛行高度，從而使三軸復(fù)合翼無人機(jī)能按照預(yù)先設(shè)定的高度進(jìn)行飛行。通過高度傳感器判斷是否達(dá)到預(yù)定高度，若未達(dá)到預(yù)定高度再通過飛控進(jìn)行爬升，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定高度后，進(jìn)入懸停狀態(tài)；當(dāng)需要進(jìn)入巡航模式時(shí)由飛控發(fā)出控制信號(hào)號(hào)給舵機(jī)，再由內(nèi)置馬達(dá)帶動(dòng)擺臂，實(shí)現(xiàn)槳葉角度的變化，同時(shí)電子調(diào)速器調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，讓飛機(jī)保持合適的飛行姿態(tài)，繼而轉(zhuǎn)入固定翼模式。通過空壓計(jì)判斷是否達(dá)到預(yù)定高度之后繼而實(shí)現(xiàn)從多旋翼轉(zhuǎn)由固定翼模式的流程圖如圖2 所示。

3 參調(diào)飛控

在pixhawk 調(diào)參過程中，需要對(duì)垂直起降的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行多次測試與調(diào)試，特別是三旋翼傾轉(zhuǎn)后轉(zhuǎn)換成固定翼模式時(shí)過渡階段的參數(shù)。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)與測試，調(diào)試了不同的參數(shù)，最終測試得到的過渡模式的走廊曲線如圖3 所示。

圖3 過渡模式走廊曲線

在傾轉(zhuǎn)過程中經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)傾轉(zhuǎn)速度不能太小，當(dāng)傾轉(zhuǎn)速度過慢時(shí)，旋翼所產(chǎn)生的升力無法及時(shí)變更，以至于飛機(jī)失速進(jìn)而損壞飛機(jī)。本設(shè)計(jì)在多旋翼模式轉(zhuǎn)換為固定翼模式時(shí)（以及從固定翼模式轉(zhuǎn)換為多旋翼模式時(shí)），電機(jī)向下傾轉(zhuǎn)（向上傾轉(zhuǎn)）速度的經(jīng)過測試設(shè)置為Q_TILT_RATE_DN=15（往下傾轉(zhuǎn)的速度：1 秒傾轉(zhuǎn)15 度)/Q_TILT_RATE_UP=50 （往上傾回的速度：1 秒傾回50 度)。其他參數(shù)如ARSPD_FBW_MAX=35（最大空速限制為35），ARSPD_FBW_MIN=10（最小空速限制為10）表示當(dāng)三旋翼轉(zhuǎn)換為固定翼過程中，在測試得到的預(yù)設(shè)空速范圍內(nèi)，那么三旋翼的控制比重開始慢慢減少，這個(gè)權(quán)重決定是否進(jìn)行從三旋翼到固定翼的模式轉(zhuǎn)換3。在無人機(jī)降落時(shí)以防降落速度過快飛機(jī)墜毀需要設(shè)置預(yù)定降落高度以及預(yù)定降落速度，Q_LAND_FINAL_ALT=9 （第二階段降落的高度：9 米)Q_LAND_SPEED=35（第二階段降落的速度：每秒35 公分)。

4 結(jié)論

主要介紹了一種新型三旋翼傾轉(zhuǎn)無人機(jī)垂直起降的部分硬件組成及其部分飛控參數(shù)設(shè)置，用傾轉(zhuǎn)式舵機(jī)代替了傳統(tǒng)的鉸接式旋翼，傾轉(zhuǎn)翼無人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降以及巡航飛行，達(dá)到預(yù)期要求。隨著無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，傾轉(zhuǎn)翼無人機(jī)的靈活、高效、大航程等特點(diǎn)將使其具有更廣闊的應(yīng)用前景。