垂直起降矢量串列翼无人机的设计与制作

刘昭　李德宝

摘 要：民用无人机发展多年，充分应用于物流，植保等领域。根据应用特色和优缺点，主要分为固定翼和多旋翼式。本文旨在设计一种混合翼无人机。解决城市起降空间狭窄，空中稳定性要求高;旋翼机飞行效率低，巡航速度慢等问题，通过双桨差速及舵面提高机动能力，调整飞控PID增强自稳能力;各个系统模块独立，便于安装维修。设计制作均采用计算机辅助进行，便于验证和修改。

关键词：垂直起降;串列翼;模块化安装

0引言

无人机，英文全称为Unmanned  Aerial Vehicle，即无人驾驶空中飞行器，通过无线电遥控设备或自带的飞行控制装置操控的无人飞机。一般由三部分组成，包括无人机主体、控制装置及负载。若从机体结构方向分类，可以把无人机分为固定翼无人机和旋翼无人机。固定翼无人机需要机翼提供充足的升力，因此一般机体宽度长度较大，机械结构相对复杂，同样也提高了对无人机操作者的要求。在旋翼无人机中 ，可以大致分为单旋翼无 人机和多旋翼无人机。单旋翼无人机就是我们平时所说的直升机 ，而多旋翼无人机则包括四旋翼、六旋翼、八旋翼甚至更多旋翼的飞机。其中，四旋翼无人机因其结构简单，飞行稳定二被广泛应用于民用的各个领域。对比来看，相比于固定翼无人机，多旋翼无人机具有起飞所需场地小，可低空飞行，工作稳定，特别是可悬停的优点。但仍存在不足，如能量效率低导致活动半径小。

随着工业产业升级，各行各业尤其是需要短途快速运输或空中作业的岗位，

如城市中交通不便导致原先点对点的快递外卖效率低下，电力巡检时，既需要快速巡航，查找问题，又需要对故障处拍摄等操作。因此迫切需要一种能具有固定翼飞行速度快工作半径大的特点，兼顾多旋翼机起降简单可悬停优点的复合型无人机

1 特点分析

该垂直起降无人机具备以下优点：

（1）将旋翼机与固定翼的特点相结合，起飞和降落时的起降方式与旋翼机相同，垂直进行，占地空间小，无需跑道，在飞行途中采用固定翼水平飞行，巡航速度与固定翼接近，同时能量效率相比旋翼机大大提升。

（2）转弯采用电机矢量控制，通过改变两个电机的轴线指向操纵方向

（3）旋翼机模式与固定翼模式的切换，通过悬停时两电机差速产生转矩，完成切换。

（4）安装飞行控制模块，可通过主动调节来减少飞行过程中的晃动，保证飞行平稳。

（5）杆件之间采用扎带交叉捆扎，成本低，整体调节方便，易于灵活修改。

2 飞机整体结构设计

2.1 主机身

如图所示，该无人机采用凹凸翼2032cjc，，翼型相对厚度较小。纵向骨架为3mm和5mm碳纤维杆交替使用，提高抗弯扭强度。采用5mm厚度的巴尔沙木制作翼肋，减轻重量，同时给蒙皮提供较大的蒙皮附着面积。

2.2 动力装置

电机臂为方型碳管，中部侧向钻孔保证机翼碳管穿过固定，两端竖向切出方孔，固定倾转舵机。舵机上装有U形电机座摇臂，摇臂上设置四个电机安装孔，以固定无刷电机。舵机行程为-45°～+45°

3 三维模型的制作

3.1部分零部件

3.2各个机体部件

（1）机翼

机翼凹凸翼2032cjc，平飞性能好1）机翼采用较大翼展，产生升力大，提高运载量;2）光滑蒙皮，减小摩擦阻力，提高飞行速度和航程。

（2）电机座

因该型无人机采用半矢量控制，故电机固定于舵机摇臂上。机动灵活，反应迅速。

（3）起落支撑结构

起落架由数根斜置弹性纤维棒，可充分吸收降落时对机身造成的冲击。同时，整体呈梯形的起落架，一定程度上防止飞机在起飞前因迎面方向的风翻倒。

4 飞行控制原理：

4.1 动力系统的矢量偏航控制：该无人机采用双螺旋桨反推提供升力平飞时，通过控制倾转舵机使电机绕机体坐标系的Z轴旋转产生偏航的力矩，减少了舵面的使用，降低机翼结构复杂度。

4.2旋翼机模式与固定翼模式切换：在垂直起飞至一定高度后，通过遥控器差速控制，使机翼上方螺旋桨转速大于下方螺旋桨转速。从而产生绕Y轴旋转的俯仰力矩，降低迎角。

5 结语

本项目根据生产环境需要及市场需求，制作出结合旋翼机和固定翼两方特点的垂起固定翼无人机，同时采取串列翼布局，提高气动效率，利用CAD技术实现无纸化设计制作，且便于装配过程发现问题时及时修改。

参考文献

[1]王冠林，武暂.垂直起降无人机总体方案分析及控制策略 综合研究[J].飞机设计，2006（03）：25—30.

[2]全权.解密多旋翼发展进程[J].机器人产业，2015（2）：72-83.

[3] 张啸迟，万志强，章异嬴，杨超. 旋翼固定翼复合式垂直起降飞行器概念设计研究 [J]. 航空学报，2016，v.37（01）：179-192.

[4]赵长辉，杨五兵，李波，等.固定翼四旋翼复合飞行器[C]//2014（第五届）中国无人机大会论文集.北京：中国无人机协会，2014：6.

[5]陈滔，孟琳，李楠，叶永强.飞机垂直，短距起降技术的研究 [J].现代电子技術，2014（23）.1l0一114.

[6]杨军，吴希明，凡永华等.倾转旋翼机飞行控制[M].北京：航空工业出版社，2006.

[7]凌和生.新型垂直起降飞机 V-22“鱼鹰”偏转旋翼机.江苏航空，2007（1）