垂直起降矢量串列翼無人機的設計與制作

劉昭　李德寶

摘 要：民用無人機發展多年，充分應用于物流，植保等領域。根據應用特色和優缺點，主要分為固定翼和多旋翼式。本文旨在設計一種混合翼無人機。解決城市起降空間狹窄，空中穩定性要求高;旋翼機飛行效率低，巡航速度慢等問題，通過雙槳差速及舵面提高機動能力，調整飛控PID增強自穩能力;各個系統模塊獨立，便于安裝維修。設計制作均采用計算機輔助進行，便于驗證和修改。

關鍵詞：垂直起降;串列翼;模塊化安裝

0引言

無人機，英文全稱為Unmanned? Aerial Vehicle，即無人駕駛空中飛行器，通過無線電遙控設備或自帶的飛行控制裝置操控的無人飛機。一般由三部分組成，包括無人機主體、控制裝置及負載。若從機體結構方向分類，可以把無人機分為固定翼無人機和旋翼無人機。固定翼無人機需要機翼提供充足的升力，因此一般機體寬度長度較大，機械結構相對復雜，同樣也提高了對無人機操作者的要求。在旋翼無人機中 ，可以大致分為單旋翼無 人機和多旋翼無人機。單旋翼無人機就是我們平時所說的直升機 ，而多旋翼無人機則包括四旋翼、六旋翼、八旋翼甚至更多旋翼的飛機。其中，四旋翼無人機因其結構簡單，飛行穩定二被廣泛應用于民用的各個領域。對比來看，相比于固定翼無人機，多旋翼無人機具有起飛所需場地小，可低空飛行，工作穩定，特別是可懸停的優點。但仍存在不足，如能量效率低導致活動半徑小。

隨著工業產業升級，各行各業尤其是需要短途快速運輸或空中作業的崗位，

如城市中交通不便導致原先點對點的快遞外賣效率低下，電力巡檢時，既需要快速巡航，查找問題，又需要對故障處拍攝等操作。因此迫切需要一種能具有固定翼飛行速度快工作半徑大的特點，兼顧多旋翼機起降簡單可懸停優點的復合型無人機

1 特點分析

該垂直起降無人機具備以下優點：

（1）將旋翼機與固定翼的特點相結合，起飛和降落時的起降方式與旋翼機相同，垂直進行，占地空間小，無需跑道，在飛行途中采用固定翼水平飛行，巡航速度與固定翼接近，同時能量效率相比旋翼機大大提升。

（2）轉彎采用電機矢量控制，通過改變兩個電機的軸線指向操縱方向

（3）旋翼機模式與固定翼模式的切換，通過懸停時兩電機差速產生轉矩，完成切換。

（4）安裝飛行控制模塊，可通過主動調節來減少飛行過程中的晃動，保證飛行平穩。

（5）桿件之間采用扎帶交叉捆扎，成本低，整體調節方便，易于靈活修改。

2 飛機整體結構設計

2.1 主機身

如圖所示，該無人機采用凹凸翼2032cjc，，翼型相對厚度較小。縱向骨架為3mm和5mm碳纖維桿交替使用，提高抗彎扭強度。采用5mm厚度的巴爾沙木制作翼肋，減輕重量，同時給蒙皮提供較大的蒙皮附著面積。

2.2 動力裝置

電機臂為方型碳管，中部側向鉆孔保證機翼碳管穿過固定，兩端豎向切出方孔，固定傾轉舵機。舵機上裝有U形電機座搖臂，搖臂上設置四個電機安裝孔，以固定無刷電機。舵機行程為-45°～+45°

3 三維模型的制作

3.1部分零部件

3.2各個機體部件

（1）機翼

機翼凹凸翼2032cjc，平飛性能好1）機翼采用較大翼展，產生升力大，提高運載量;2）光滑蒙皮，減小摩擦阻力，提高飛行速度和航程。

（2）電機座

因該型無人機采用半矢量控制，故電機固定于舵機搖臂上。機動靈活，反應迅速。

（3）起落支撐結構

起落架由數根斜置彈性纖維棒，可充分吸收降落時對機身造成的沖擊。同時，整體呈梯形的起落架，一定程度上防止飛機在起飛前因迎面方向的風翻倒。

4 飛行控制原理：

4.1 動力系統的矢量偏航控制：該無人機采用雙螺旋槳反推提供升力平飛時，通過控制傾轉舵機使電機繞機體坐標系的Z軸旋轉產生偏航的力矩，減少了舵面的使用，降低機翼結構復雜度。

4.2旋翼機模式與固定翼模式切換：在垂直起飛至一定高度后，通過遙控器差速控制，使機翼上方螺旋槳轉速大于下方螺旋槳轉速。從而產生繞Y軸旋轉的俯仰力矩，降低迎角。

5 結語

本項目根據生產環境需要及市場需求，制作出結合旋翼機和固定翼兩方特點的垂起固定翼無人機，同時采取串列翼布局，提高氣動效率，利用CAD技術實現無紙化設計制作，且便于裝配過程發現問題時及時修改。

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