一种模块化多旋翼无人机的设计

吴林晋 王建国 汤瑾

摘 要：针对传统无人机部件布局单一、起飞重量低，载重能力小，飞行时间短而局限了无人机的使用范围的问题，对模块化无人机的建模，无人机主体结构的设计和无人机间的装配与控制等方面进行了研究。以多模块无人机拼接，多自由度空中飞行为主要特点，并以解决多旋翼无人机起飞重量低，飞行时间短为目标，提供了模块化无人机的设计方案。使用SOLIDWORKS三维建模软件对模塊化无人机进行基本建模，设计了模块与模块间的连接结构，并计算模块化无人机以多模块拼接成链状飞行中自由度的计算方法。

关键词：无人机；模块化；自由拼接；结构设计

在2010年之前，固定翼和直升机无论在航拍还是航模运动领域，基本占有绝对主流的地位。然而，在之后的几年中，由于多旋翼具有最简单的操控性，具有最出色的可靠性，具有最高的勤务性迅速成为航拍和航模运动领域的新星。至今为止，围绕多旋翼飞行器的相关创意、技术、产品、应用和投资层出不穷。目前，多旋翼已经成为微小型无人机或航模的主流。[1]

但由于多旋翼无人机能量转换率底下，续航时间短，承载能力低，成为了多旋翼无人机发展的重要瓶颈。无人机的广泛开发与应用，给人们的生活方面带来了很大改善和便利，无人机运输物资，无人机喷洒农药等都在无人机载重和续航方面对多旋翼无人机的改善提出了要求。因此，为了提高多旋翼无人机的载重及续航能力，本研究设计创新结构的模块化无人机，工作需要时根据需要数目将多模块简单拼接结合成不封闭开链状无人机群或结合成封闭闭链无人机组，完成相关飞行任务，在无人输送物品，无人机载重飞行，无人机编队表演飞行有重要应用前景。

模块化无人机的机构设计

模块化无人机拥有以下几个特点：（1）模块化多旋翼无人机拥有任意数量拼接均可起飞的特点，即每一个多旋翼模块均可以以单独个体作为无人机进行基本的飞行工作，每个模块均含有机架，电池，电机（一对），步进电机，飞行控制器，远程遥控接收器等多旋翼无人机必要构建组成。（2）模块化多旋翼无人机可以拼接成不封闭开链状无人机群或结合成封闭闭链无人机组完成相关飞行任务。模块化多旋翼无人机通过机架两侧的连接装置可与另外两个模块化无人机相连接，多加无人机拼接而成，使得无人机的载重能力大大提高。同时，也因为多架无人机的相关作用，可在外界风阻大时改变飞行姿态，多架无人机以最小接触面迎风，大大提高在飞行时的抗风能力，相对续航能力也有所提高。也由于多模块组合，提供了多组旋翼，机动性也大大提升。

主要模块化无人机结构如下：

（1）机架结构（图中编号1）其作用主要是承载无人机上的所有重量及各机构的布局。机架的大小及形状基本决定无人机的基本大小及形状。

（2）机臂及动力电机机构（图中编号2）机臂是无人机在飞行的主要受力部分，机臂上设置动力电机，为无人机提供所需动力。

（3）模块间连接机构（图中编号3）模块间连接机构是模块化多悬翼无人机的重要组成机构，模块化无人机利用此机构将与另外两个最小无人机模块相连接，由此组合成多模块无人机组。

1. 机架结构的设计

机架结构主要由3mm碳纤维管构成，碳纤维管机架有强度高，同体积下质量小等优点。机架上安装有机臂，步进电机，无人机模块间连接机构等部分。

1. 机臂及动力电机机构的设计

电机选择kV2600型无刷动力电机，为无人机提供升力及转向力。电机通过机臂上的步进电机带动皮带可带动动力电机转向，提供无人机的翻滚和横滚力。机臂中间位置使用一堆止推轴承与机架连接，相邻放置飞行控制器，GPS，远程遥控接受机等电子传感器。由于机臂的振动会导致整体无人机的飞行状态不平稳，机臂的材料不宜选择刚度较大的碳纤维，轻木等常用无人机机身材料，而采用刚度较低的丙烯酸塑料，减小动力电机在工作时产生的振动。

1.3 模块间连接机构的设计

连接机构设置在机架的前后两端，最外端为永磁铁，利用永磁铁的磁性将模块间连接形成多旋翼无人机组合。另外，连接机构使用球转副运动机构，提供空间内旋转3个自由度，便于无人机在飞行时的飞行姿态的修改。球转运动副的公母头结合处分别设置在机架的两端，两个相同的模块化多旋翼无人机通过公头结合处与母头结合处连接，其他任意数目的模块化无人机组结合以此类推。

模块化多旋翼无人机自由度的分析

（1）组成开链无人机组情况：开链无人机组即构成了不封闭形状的无人机组，假设模块化多旋翼无人机组由N个最小模块化构成，则其自由度为F=6N-3（N-2）。（注：空间机构自由度为6，每个球转副限制3个自由度，开链无人机组的最小无人机模块数N=1，2，3…）

（2）组成闭链无人机组情况：闭链无人机组即构成了封闭形状的无人机组，假设模块化多旋翼无人机组由N个最小模块化构成，则其自由度为F=6N-3N。（注：空间机构自由度为6，每个球转副限制3个自由度，开链无人机组的最小无人机模块数N≥3）

结果表明：模块化多旋翼无人机在组合后自由度大大增加，可在飞行中呈现多种可变化的飞行姿态，是一种新型的无人机的表演形式。

3 结语

本研究自主设计了一种模块化的多旋翼无人机，针对本无人机的基本结构进行了主要分析，并且通过三维软件建模和其自由度的计算得知此方案是可行且此设计是合理可靠的。

在下一阶段，本研究将深入研究模块化无人机的控制及应用，为模块化多旋翼无人机的投入使用提供相关的理论基础。

参考文献：

[1]全权.解密多旋翼发展过程[J].机器人产业，2015（2）.