基于复合式横梁的载重植保无人机设计＊

2022-04-25黎相伟李继业

科技与创新 2022年8期

关键词：外场样机横梁

余诣，张璟，黎相伟，李继业，高坚

（中国计量大学机电工程学院，浙江杭州 310002）

本项目核心任务在于实现新型复合式横梁的设计、测试与运用，同时完成可控制的、高效的载重植保无人机以具有完成农业中精准、定点喷洒的功能。

1 无人机气动布局与结构设计

1.1 气动设计

良好的气动布局与翼型结构设计决定了整机的基础，本项目在进行了大量仿真与优化后确定翼型为AH 79-100B，具体研究过程如图1 所示。

图1 气动设计流程

从profili 中导出了多种经典翼型（包括平凸型、对称型、S 型、Clark-Y 型等），首先在XFLR5 中进行外形比对，并初步筛选。由于刚导入的翼型并不满足实际要求，需要在原有基础上建立副翼节点（SET T.E.FLAT），使得更加符合实际飞行情况。

利用profili 在相同雷诺数下，对翼型的升力系数、阻力系数、升阻比、俯仰力矩与攻角关系进行对比分析后。采用XFLR5 对选型翼型进行数据分析，得出相关翼型在不同条件下的参数曲线。选出优秀的翼型，进行整机静态分析的数据建立。

根据CAD 图纸进行主翼（Main Wing）、机身（Body）、水平尾翼（Elevator）、垂直尾翼（Fin）4个部分的建模，并加载上舵机、起落架、电机、电池等空机设备。模拟实际挂载性能与动态模拟如图2 所示。

图2 模拟实际挂载性能与动态模拟

对整机进行动态模拟分析，模态响应模拟是指在飞行中，扰动（操纵或阵风）会在不同的程度上激发所有的模态：短周期和滚转阻尼模态受较大阻尼很快就会消失；长周期和荷兰滚较明显，可用眼观察到；螺旋模态则是缓慢地被纠正。整机在受到扰动后恢复较快，模型性能较好。

1.2 整体结构

本项目主要目的为制作一架基于复合式横梁的载重植保无人机，整机采用单发、对称结构设计，采用梯形翼适合低速（相对于音速）飞机，优点在于制造加工很方便，同时也具有较低的诱导阻力，在低速时的升力性能较为优秀。

平直机翼或是略带下反角机翼有利于提升灵敏度以及静载，使飞行过程容易操纵投水。

无人机起落架采用前三角式，均采用碳纤维材质拼接而成的22 in（1 in≈2.54 cm）螺旋桨，并搭配HK-2520 电机/SKYWALKER-60 A 动力组合，使用4S锂聚合物电池供电，使用拉力计实际测试取平均值动力F=52 N。

1.3 复合式横梁的设计与应用

飞机横梁是飞机结构的主要部件，相当于人体骨架的脊椎，大梁对于飞机飞行有至关重要的作用。其作用是承受全部或大部分的弯矩和剪力。横梁由缘条、腹板和支柱等组成，剖面多为工字形。横梁一般固支在机身上。复合式横梁采用碳纤维板覆盖碳纤维管而成，其纵向受力极限极强，几乎无法通过外力使其变形，而横向形变由于碳板本身特性，复合而成的横梁刚度足够，形变也较小。复合式横梁结构图如图3 所示，复合式横梁贯穿整个机翼中段如图4 所示。

图3 复合式横梁结构图

图4 复合式横梁贯穿整个机翼中段

2 飞行控制设计

2.1 控制流程

可使用手动操纵飞行/地面站规划飞行切换，具体如图5 所示。

图5 飞行策略

2.2 地面站与程序设计

自动飞行使用目前无人机常用的Mission Planner地面站搭配相关硬件实现按照规划航线自动飞行[2]。地面站基础操作界面如图6 所示，包括上位机飞控与下位机程序，下位机接收信息对电磁阀进行控制。

图6 地面（GUⅠ）操作界面

采用ArduPilot/APM 作为导航系统，通过参数调节与编程支持多种地面站用于计划与控制飞行[3]，部分代码如图7 所示。

图7 飞控程序与下位机程序

3 无人机实物与硬件选型

3.1 设计与展示

通过AUTO CAD 绘制无人机三视图展示如图8 所示。

图8 无人机展示

无人机样机实物如图9 所示。

图9 实物展示

3.2 硬件选型

螺旋桨采用FALCON 金标（超轻）22 in 固定翼电动碳纤桨。飞行电机采用Scorpion HK-2520-3 500 kV 无刷电机。电子调速器采用好盈天行者SKYWALKER-60A（峰值80A）[4]。锂电池采用格氏ACE XO-1 1 800/5 000 mAh 3S 11.1V 45C 锂聚合物电池。