可垂直起降的高速飞行航模无人机的研究

柯帅

摘 要：航模是一种用于航空知识普及、理论研究、机型试验、军事侦查、摄影辅助等领域的不载人模型飞机，目前常见的有航模直升机和航模飞翼两种类型，但它们都具有难以同时实现垂直起降和快速飞行两种功能的弊端。本研究设计了一种螺旋桨可旋转式航模无人机，可以通过伺服舵机来调整螺旋的桨角度，进而控制飞行姿态，当起降时螺旋桨轴线调整到竖直方向，当快速飞行时螺旋桨轴线调整到水平方向。此外，为了增加飞行时间，航模搭载了一套太阳能充电系统，通过安装在机翼上的太阳能电池板将光能转换成电能，经过稳压电路、充电电路的处理，输出端可以直接为锂电池充电。以上几项关键技术问题的解决，为航模无人机在更多领域的广泛应用提供了有效的技术保障。

关键词：航模 垂直起降 高速 太阳能

中图分类号：V249 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（b）-0007-02

航模是指能够在空中飞行的模型飞机，一般用于航空知识普及、理论研究、机型试验、军事侦查、摄影辅助等领域。目前常见的航模主要有航模直升机和航模飞翼两种类型，由于两者结构布局上的较大差异，所以具有不同的特点[1-2]。其中航模直升机安装一个螺旋桨和一个尾桨（又称抗扭螺旋桨），主要依靠螺旋桨的旋转产生升力和前进的推力，尾桨用于平衡姿态，所以通常螺旋桨的尺寸较大、结构相对复杂，提供的升力也有限，只能以低速飞行，另外单螺旋桨抗风能力差，飞行不稳定，易失衡造成失控或坠机。航模飞翼又称全翼机，采用一种有别于常规方式的气动布局形式，没有尾翼，并且机身的主要部分全都隐藏在机翼内，简单说就是只有飞机翅膀的布局形式，机身和机翼融为一体，外观呈扁平状，这种气动布局方式的好处在于飞行时只需提供前进的推力，机身依靠自身结构特点产生向上的升力，不足在于需要高速飞行才能产生足够的升力，滑行起降过程对场地要求较高。

另外，现有航模飞机多采用锂电池供电，由于受电池容量和充放电效率的限制，航模的飞行时间和飞行距离有限，飞行一段时间后就需要降落更换电池或重新充电，大大降低了飞行效率。

1 航模本体机构设计

针对现有航模无人机技术存在的垂直起降和快速飞行[3]两种功能无法兼顾的问题，本文提出了一种全新的设计方法，利用可以旋转的螺旋桨实现航模的垂直起降和快速飞行两种功能，同时在机翼上安装太阳能电池板，对锂电池进行充电，大大增加了航模的可持续飞行时间。

为了解决以上所提出的技术问题，本文在设计过程中采用以下技术方案：垂直起降航模无人机本体包括机身、机翼、升降及飞行系统和转向机构，整机翼展2m，整体质量3.5kg，其结构如图1所示。

为了减轻重量、提高强度，机身和机翼采用轻木薄板和碳纤维杆作为骨架，骨架外部包裹一层碳纤维外壳，既能提高机身强度，又能降低飞行阻力，机身骨架内部有用于安装其他控制部件的机舱[4]。机翼包括主翼、主翼副翼、尾翼和尾翼副翼，主翼和尾翼可以通过特有的空气动力学设计为飞机提供飞行升力，主翼副翼和尾翼副翼安装在主翼和尾翼末端，可以在转向系统的作用下，绕机翼小角度摆动，来调整飞机的飞行姿态。升降及飞行系统包括两个可旋转的螺旋桨和一个风扇式涵道，螺旋桨可以通过旋转舵机来调整姿态，当航模在完成起降动作时，将螺旋桨轴线调整到竖直方向，就可以实现垂直起降，而在飞行过程中，只需要将螺旋桨轴线调整到水平方向，就可以快速飞行，调整过程在飞行时就可以完成。固定安装在机体尾部的涵道，其功能是在起降时与螺旋桨配合维持机身的平稳。

2 控制系统研究

2.1 硬件组成

航模的硬件系统主要包括电动机、微型伺服舵机、电子调速器和飞行控制模块[5]。其中电动机采用高转速无刷电机，电阻低，高能效，最大功率可达300W，额定转速达3000转/min，同时电机配有12-8APC尼龙两叶折叠螺旋桨，产生的净推力为15N。整机配有4个数字舵机，采用银燕90508式数字舵机，它们分别控制主翼副翼和尾翼副翼，该型号电机质量小，能耗低，响应迅速，最大工作电流仅为0.5A，最大输出拉力为8N。电子调速器用于调节电机的输入电流，当输入一个控制信号给电子调速器时，电子调速器中的放大器会通过“增益控制单元”和“复位单元”把控制信号变成输出电流的大小，输出电流大小直接决定着无刷电动机和伺服舵机的转速、转矩，进一步控制飞机的飞行姿态，电子调速器采用最大输出电流为40A的型号，额定工作电压为7.4～14.8V，最大输出功率550W。

飞行控制系统是整个航模硬件部分的核心，通过它可以控制航模的飞行姿态和飞行轨迹，具有遥控操作和自主运行两种控制模式[6]。系统发出指示信号给电子调速器，进而控制电动机、舵机的输出转速和转矩，同时系统也可以接收传感器反馈的信号，根据反馈信息对飞行姿态进行微调。飞行控制系统由三轴陀螺仪、三轴加速度计和一个ARM处理器组成，在飞行过程中可以对航线进行校准，静态角度分辨能够达到0.1°，而且具有内置保护程序，确保整个系统具有故障自检功能，对航线进行记忆，在失控条件下能够自主返航。

2.2 无线传输模块

无线传输模块安装在机体内部，通过一根高频天线与地面基站进行通讯，传输系统分为无线数据传输和无线图像传输。数据传输通道采用频率为433MHz的收发一体电台，该数传电台工作电压5～7.4V，最大功率为0.25W，地面传输距离大于1.5km，地空传输距离大于10km。无线图像传输采用2.4G发射电台，工作电压3.3～5.5V，最大发射功率0.5W，可同时传输音频和视频。

3 太阳能充电系统

由于机身翼展达到2m左右，尺寸较大，电池电量消耗快，电池满电量情况下飞行时间在30min左右，为了增加续航时间，利用太阳能充电系统为锂电池进行充电，该系统包括太阳能电池板、稳压电路和锂电池充电器[7]，如图2所示。太阳能电池板安装在主翼上表面，利于最大程度吸收光照，输出端由主翼内部进入机身与稳压电路、充电电路相连，最终为锂电池充电。

太阳能板采用的是4块9V的单晶硅电池板，与锂电池串联在一起形成闭合回路，当光照强度在5×104kV以上时，输出电压在30V左右，由于太阳能电池板直接输出的电压是不稳定的，需要经过稳压电路进行稳压，稳压电路有效输入电压在3～36V之间，而输出电压值根据锂电池充电电压要求进行设置，实际输出为16.8V，可以直接为锂电池实时充电。此外，在稳压器与锂电池之间串联一个单向导通二极管，避免在光照不足时，锂电池两端电压大于充电电压，形成反向导通回路放电，充电电路如图3所示。

4 结语

本研究设计的具有垂直起降和高速飞行两种功能的航模无人机，可以通过控制螺旋桨的姿态来实现不同功能，有效解决了传统航模机型两者不能兼顾的弊端，大大提高了航模无人机的飞行适应能力。另外，太阳能充电系统可以在飞行过程中为锂电池进行充电，通过稳压电路、充电电路将太阳能电池板输出的不稳定电压转换为恒压输出，直接为锂电池进行充电。

由于实现了垂直起降和快速飞行两种功能，同时太阳能充电系统又可以提高航行时间，这些关键技术为航模无人机在更多领域的广泛应用提供了技术保障。通过搭载有效的巡检设备，比如云台摄像机、红外热像仪和激光扫描仪等，航模的功能将不仅仅局限在飞行任务上，可以实现更多的功能。

参考文献

[1]李磊.无人机技术现状与发展趋势[J].硅谷，2011（1）：46.

[2]刘鹏，彭艳鹏，邹秀琼.我国无人机航摄系统现状和前景[J].地理空间信息，2010，8（4）：4-7.

[3]周宏霞，刘斌，吕锁宁.飞翼布局飞行器结构特性分析[J].固体火箭技术，2014（3）.

[4]李小勇，张淼等.翼身融合飞机的空气动力学研究进展[J].飞机设计，2007，27（2）.

[5]李一波，李振，张晓东.无人机飞行控制方法研究现状与发展[J].飞行力学，2010，29（2）：1-9.

[6]陈远炫，裴海龙，陈勇.小型无人机飞行控制系统的硬件设计与实现[J].计算机工程与设计，2010（10）.

[7]赵雅芸.一种太阳能充电控制器的设计[J].长江大学学报（自然版），2013（9）.