四軸無人機的設計與優化

熊贏超

(湖南碳谷新材料有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引言

四軸無人機作為一種新型的旋翼飛行器，是21世紀研究熱點之一。自20世紀90年代，伴隨著微型機電系統的日漸成熟，使得旋翼飛行器能夠實現自動控制。但由于當時其技術處于初級階段，旋翼飛行器在使用過程中存在著噪聲大、巡航短、穩定性差、控制不靈活等諸多問題。隨著科技的發展，人們針對旋翼飛行器進行了三維建模、控制算法優化、非線性結構計算等，終于在2005年左右制造出真正性能穩定的多旋翼自動無人機。

四軸無人機作為目前多旋翼無人機中最受關注的一種，最早出現在公眾視野中是在2009年印度電影《三傻》中。到2010年，法國公司Parrot發布了首款大眾使用的四軸無人機。該四軸無人機作為一個高科技產物，廣受好評并開始廣泛進入人類社會。2012年，VijayKumar教授在TED上做的關于四軸無人機演講反響熱烈，成為TED演講中觀看量最高的演講之一。自此，四軸無人機關注度迅速提升，成為人們的關注焦點。2013至2014年，四軸無人機開始搭載無刷電機和高清相機，實現遠距離、清晰畫質的傳輸。2014年至2015年，四軸無人機開始搭配GPS跟隨、視覺懸停輔助等功能，正式進入高清航拍無人機時代。2016年，yuneec公司推出的無人機通過前后雙攝像機和圖像識別的視覺跟隨實現自主避障。如今隨著技術的進一步提升，四軸無人機正式進入智能化無人機時代[1]。本文設計了一種針對航拍的輕型四軸無人機，實現了一種新型的輕型可交互四軸無人機系統。

1 四軸無人機參數設定

本無人機主要是作為一種航拍工具，需要兼顧輕型、穩定、續航能力強的特點，同時還應滿足國家、行業相關標準，保障安全性。因此，確定的主要技術要求如表1所示。

表1 四軸無人機技術要求

2 四軸無人機飛行任務設計

四軸無人機的飛行任務分為起飛、巡航、降落三個基礎階段，其中最為主要的便是巡航階段。根據使用條件不同，巡航又可分為定高定速、平飛加速兩種形態。因此，四軸無人機需根據飛機的重量、推力、環境因素等進行設計。

2.1 起飛/降落階段

四軸無人機起飛/降落階段主要通過恒定的提升速度到達指定的高度，起飛的主要參數設定見表2。

表2 四軸無人機起飛參數設定

其提升力計算公式為：

(1)

其中：L為無人機的提升力，N；ρ為空氣密度，500 m高度空氣密度為1.166 kg/m3；S為機翼參考面積，取1.2 m2；vq為無人機起飛最大速度，m/s；Cr為飛機提升力系數，根據使用條件，取Cr=0.85。根據算出的提升力進一步計算可得無人機起飛所需功率為6 kW左右。

2.2 巡航階段

四軸無人機巡航階段主要實現往返、盤旋、格柵掃描等動作，其運行過程中推力主要克服阻力做功，而提升力需等于重力。四軸無人機巡航主要參數見表3。

表3 四軸無人機巡航參數設定

無人機在巡航過程中，可設定發動機的推力與阻力相當，即：

(2)

其中：F為無人機發動機所提供的動力，N；D為空氣所造成的阻力，N；CP為巡航時的阻力系數，此處根據使用條件取CP=0.75;vx為無人機巡航最大速度。

無人機所需的提升力應與重力平衡，即：

(3)

其中：m為無人機總質量；g為重力加速度；CL為保持重量平衡的均衡系數，此處取CL=0.8。

因此無人機在巡航過程中所需功率為：

(4)

其中：A為展旋長，此處為55 cm；R為展旋半徑，此處為10 cm；b為機翼展長，此處為30.5 cm。

根據式(4)計算，可得巡航時所需功率為10 kW。

3 四軸無人機的結構組成

四軸無人機作為一種最直觀、最簡單的無人機形式，其主要由飛行器控制面板、機架、電源、電機和旋翼等組成。四軸無人機雖結構簡單，但需要同時實現四個螺旋槳協調動作，對機架結構、螺旋系統、飛行器控制系統要求十分嚴格，同時傳統無人機動力系統存在續航短、成本高等問題，對無人機的設計存在著巨大挑戰。

3.1 四軸無人機的控制系統設計

四軸無人機在飛行期間，由于環境多變復雜、執行任務多樣性、機身自身需要小型化和微型化等特點，對控制系統要求較高。針對四軸無人機的性能特點，該無人機采用無線通信與集成控制于一體的mega2560作為主芯片，通過超聲波傳感器高度控制法，實現四軸無人機的穩定飛行、起飛、懸停、降落等功能。在四軸無人機的控制系統中，其主控芯片相當于人腦，將傳感器中數據轉化為四軸無人機的實時數據，并通過無線模塊進行信息匹配，實現四軸無人機四個電機動作的實時配合，從而實現對四軸無人機的動作控制[2]。

mega2560作為主芯片，具有54個數字輸出接口、16個數字輸入口，低電壓3.3 V/5 V供電，且具備ATmega16U2編程、控制與無線通信、雙靜態存儲等功能，可滿足四軸無人機控制要求。

傳感器采用多傳感器組合的傳感器組，用來檢測無人機的高度、角度等信息，為無人機的控制計算提供所需的信息與數據。采用三軸螺旋儀、三軸加速器、三軸磁力器構成的姿態角測量傳感器單元檢測姿態角數據，檢測高度數據則通過超聲波傳感器來獲取。因為四軸無人機在飛行過程中外界干擾大，需要精度高，所以應選用抗干擾能力強、精度高、質量小的傳感器。

3.2 四軸無人機的旋翼系統設計

該四軸無人機采用高強度碳纖維材料的可變螺旋槳系統，通過周期變距實現前飛、后飛、俯仰、翻轉等動作。前后方向動作、翻轉仰視可分別通過不同的軸距進行控制，避免了不同周期變距帶來的相互干擾。其中旋翼系統最重要的幾個參數為旋翼的軸間距、直徑、轉速、槳葉外形尺寸[3]。

3.2.1 旋翼直徑與軸距

考慮到該無人機作為航拍使用，其外形尺寸需控制在25 cm×25 cm×10 cm以內，自身重量控制在2 500 g以內。考慮到旋翼之間的干涉問題、機身長度要求、旋翼直徑對旋槳面積和功率的影響等因素初步將旋翼軸距設為20 cm，旋翼直徑設為15 cm。

3.2.2 旋翼轉速

四軸無人機是通過電機帶動旋翼旋轉，在此過程中通過槳葉產生提升力。因此旋翼的轉速減少雖然會降低無人機的功率，但是同時也會減少旋翼的提升力。考慮到以上因素，旋翼的轉速應滿足：

ΩR1

(5)

其中：Ω為旋翼轉速；R1為旋翼半徑；vcritical為旋翼槳尖速度。旋翼阻力的發散馬赫數一般為0.6～0.7，此時將槳尖速度初定為100 m/s左右，馬赫數為0.65左右。旋翼半徑為7.5 cm，此時可取轉速為3 000 r/min。通過旋翼提升力系數計算公式(6)和槳葉實度系數計算公式(7)進行驗算，可滿足設計要求。

提升力系數計算公式：

(6)

其中：Tmax為最大提升重量。

槳葉實度系數計算公式：

σ>Crmax/0.12.

(7)

其中：σ為槳葉實度系數；Crmax為最大提升力系數。

3.2.3 旋翼外形

旋翼槳葉外形采用馬刀型后掠形，此形狀葉根為圓形，旋翼葉身為ARAH翼形，厚度由薄到厚均勻過度，這樣使得每個界面保持均勻的角度，保證了四軸無人機在飛行過程中平衡飛行，不會出現失速，同時可使無人機產生較大提升力，以降低旋翼的無效功率。

3.3 四軸無人機機架材料選擇

本設計機身材料選用碳纖維復合材料。該材料具備以下幾個特點：

(1) 具備高比強度和高比剛度，且密度只有1.5 g/m3～1.8 g/m3左右，同體積下比鋁的重量低，但強度卻是鋼鐵的5倍以上。采用碳纖維復合材料可使無人機減重30%以上。

(2) 碳纖維可設計性強，可以根據飛機的強度和剛度要求進行不同的設計，滿足了無人機機架需要大面積成型的這一特點。

(3) 碳纖維耐高溫、耐腐蝕、耐沖擊，可對抗室外的惡劣環境。

3.4 四軸無人機的電機系統設計

由于四軸無人機在航拍時，需要滿足高精度、低干擾、低噪聲、小體積、高壽命等要求，因此根據其特點本文設計時決定采用無刷電機作為驅動裝置。無刷電機轉速應按照“大伏轉速配小槳，小伏轉速配大槳”的原則進行設計，即每伏轉速越小，扭力會越大，可帶動更大的旋翼，此時效率也會越高，震動噪聲也會越小。所以此無刷電機采用每伏轉速較小的無刷電機。

據此選用A28-15-6型無刷電機，其每伏轉速780 r/min，直徑28 mm，長度36.5 mm，重量86 g，工作電壓4 V～10 V，工作電流28 mA，單個提升力達3 kg以上[4]。

3.5 四軸無人機的電源系統設計

10 kg以下無人機最常采用的是聚氫氣電池+太陽能電池組合形式，因為它們具備高能量重量比，可實現小體積大能量，便于減輕無人機重量和增加續航時間，且在運行過程中不會產生臟污和環境污染。太陽能電池具備高轉化率，且綠色環保，因此，將薄膜式柔性太陽能電池安裝在機翼上；同時為了彌補太陽能電池受環境影響的缺點，采用氫電池進行輔助供電。

4 總結

四軸無人機作為無人機市場上最受關注的一種結構，其在航拍領域具有長期的研究價值。為滿足航拍對無人機的要求，本設計采用mega2560芯片作為控制大腦，實現了交互通信技術；采用碳纖維復合材料作為無人機機架，使得無人機更輕便；采用可變螺旋槳作為旋翼，保障了無人機飛行的穩定性；采用無刷電機和聚氫氣+太陽能電池，保障了無人機的續航。

未來在此基礎上將對現有無人機進行進一步完善和優化，通過控制算法對無人機的動作姿態和不同環境下的性能進行分析，進一步探究無人機的更多用途和性能特點。