共轴双桨飞行机器人

伍锡坤+易重桂+袁帅

摘 要：针对现实生活中，飞行机器人易因碰撞而“机毁人亡”的问题，文中设计了一款共轴双桨飞行机器人。该产品具有结构简单，气动特性对称，机动性好，外廓尺寸紧凑等特点，可广泛应用于我国东北部地区，具有良好的社会效益与经济效益。

关键词：共轴双桨飞行机器人；GPS

0 引 言

现今研究中，飞行机器人在障碍物较多的环境中的保护措施主要是增加外框对机器人进行保护。图1所示的防护方式采用泡沫材质的外框对四轴飞行器的四个螺旋桨进行保护。该保护形势可有效保护在平飞过程中产生的碰撞问题。但由于底部、顶部缺少保护，如上部有柔性的树叶树枝等障碍时会被螺旋桨的吸力吸附，而飞行器可能会因缠绕螺旋桨产生碰撞毁损。

图2所示的飞行机器人则具有全方位的外围保护网，该种形式的保护笼原理上可以保护因各方向撞击造成的损害，但由于同时存在4部螺旋桨系统因此体积往往具有冗余空间，且四台电机中任意一台出现问题就会让整个飞行机器人瘫痪，因此在电机可靠性系数相同的情况下，可靠性反而低于只有一台推进器的飞行机器人。

共轴双桨飞行机器人可以利用自身惯性导航和GPS定位的优势被应用到许多复杂的环境之中，最典型的例子就是森林搜索与救援。传统的飞行器如果与障碍物直接相撞就会“机毁人亡”，而且复杂环境对螺旋桨的气流影响也会干扰其飞行的稳定性，因此本作品提出一种弹性概念飞行机器人，在复杂环境中飞行和与障碍物发生碰撞时都不会对飞行机器人的稳定性产生太大干扰。

1 工作原理

共轴双桨飞行机器人可以利用自身惯性导航和GPS定位的优势被应用到许多复杂的环境中。文中设计了一种弹性概念飞行机器人。该机器人的关键技术包括一个被保护在两个碳纤维复合材料防护框架中的共轴双桨推进系统和一套三轴平衡系统。内部框架包括传统的推进和稳定系统，使得飞行器在空中可以形成一个方向向上的力，抵抗微小的扰动；外部框架用于保护内部结构不受外部物体接触，不会过多的影响推进系统。弹性概念飞行机器人结构如图3所示。

这种结构设计可以让机器人的重心稳定保持在球型结构的几何中心，当发生碰撞时这种活动的结构可使飞行器与障碍物之间的摩擦力最小，使得碰撞对机器人飞行姿态的影响最小。基于以上要求，该作品提出一个“SuperBall”机器人模型，并根据该模型的概念进行制作。作品最终可在我国东北地区的森林中完整通过，且不会因为碰撞而坠毁。

2 创新点

共轴双桨推进系统是两幅桨叶方向相反的旋翼一上一下安装在同一根旋转轴上，两旋翼间具有一定的间距，两幅旋翼的旋转方向相反，他们所产生的轴向扭矩可以互相抵消，飞行航向依靠控制上下两旋翼的轴向扭矩差来完成。相比传统的单旋翼飞行器，共轴双桨飞行器无尾桨，结构更简单；气动特性对称，机动性好；外廓尺寸紧凑，在提供同样升力的情况下，共轴双桨飞行器的外廓尺寸要比单翼飞行器小。现在国际无人直升机发展方向趋于共轴式直升机，它在相同级别的发动机下，有效载荷较单桨直升机更大，更安全，体积相对较小，也便于更小的场地起降，适合更小的地面车辆进行运载。

该作品采用碳纤维网状保护罩应对碰撞情况。碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成，具有高强度、高韧性，耐热性和抗热冲击性出色，低热膨胀系数，重量轻等特点，是新时代飞行器的首选材料。但碳纤维保护罩并非直接安装在机身上，而是安装在一个有两个自由度的云臺上，当发生碰撞时外部保护罩会随着碰撞物和机器人之间的摩擦力自由转动，减少摩擦力对机身姿态带来的影响，使得飞行可靠性大大增加。

3 市场前景

我国东北地区林区面积大，地形复杂，人迹罕至，且由于气候原因，春秋季节较为干燥，温差变化大，使得东北地区自然灾害的救援与防控难度特别大。而我们的作品具有机动性好，稳定可靠，能够快速低空穿过复杂林区，再配合现有的先进侦查手段，具有早发现灾情、早进入灾区、早实施救援的能力，在我国东北地区具有广阔的应用前景。同时，由于其体形小，且防撞能力优秀，因此在室内飞行也具有极大优势。在无人机航拍领域，配合航拍技术可以使飞行器航拍过程中的安全性能大大提升。