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多旋翼无人机技术基础 9 张学森 多旋翼无人机设计的定义 所谓设计 便是一个创造性的综合信息处理过程 通过多种元素如线条 符号 数字 色彩等方式的组合把产品的形状以平面或立体的形式展现出来 它是将人的某种目的或需要转换为一个具体的物理或工具的过程 是把一种计划 规划设想 问题解决的方法 通过具体的操作 以理想的形式表达出来的过程 多旋翼无人机设计是设计人员应用气动 结构 动力 材料 工艺 电子和计算机软硬件等学科知识 通过分析 综合和创造思维将设计要求转化为一组能完整描述多旋翼无人机的参数 文档 图纸和软件 的活动过程 多旋翼无人机设计的重要性 由于在设计阶段要全面确定整个多旋翼无人机新型号的产品策略 外观 结构 性能和功能等 从而确定整个生产系统的布局 因而 多旋翼无人机设计的意义重大 具有 牵一发而动全局 的重要意义 如果多旋翼无人机的设计缺乏生产观点 那么生产时就将耗费大量费用来调整和更换设备 物料和劳动力 相反 好的产品设计 不仅表现在性能和功能上的优越性 而且便于制造 生产成本低 从而使新机型号的综合竞争力得以增强 许多在市场竞争中占优势的多旋翼无人机设计和生产企业都十分注意产品设计的细节 以便设计出造价低而又具有先进独特功能的产品 许多公司都把设计看作热门的战略工具 认为好的设计是赢得顾客的关键 多旋翼无人机设计要求 一项成功的设计 应满足多方面的要求 这些要求有社会发展方面的 有产品性能 功能 质量 效益方面的 也有使用要求或制造工艺要求 主要包括 1 社会发展要求 2 安全性要求 3 可靠性要求 4 经济效益要求 5 使用要求 6 制造工艺要求 多旋翼无人机设计的基本原则 1 需求原则 2 信息原则 3 创新原则 4 系统原则 5 收敛原则 6 优化原则 7 继承原则 8 效益原则 9 时间原则 10 定量原则 12 简化原则 13 审核原则 多旋翼无人机设计任务 多旋翼无人机设计的任务是确定其构型 布局 结构 防撞和飞控软硬件 以及其他各组成部分 以保证在一定的限度内使多旋翼无人机最有效地满足给定的技术要求 其内容包括总体技术方案论证 提出最佳技术方案 系统可靠性 维修性 保障性 安全性和生产性的综合与权衡 系统风险分析与控制 系统的费效分析 各分系统的兼容性设计 接口设计 对分系统提出技术要求及进行协调 详细的成本估算 研制周期估计 提出关键技术试验 实质上 多旋翼无人机设计的任务在现实的基础上最佳地拟定 技术文件 这些技术文件应保证在给定条件下使新设计多旋翼无人机能满足使用技术要求 通常可分为三类 1 多旋翼无人机的设计图纸 设计报告 计算报告 试验报告 自控设备和飞控软件程序等技术文件 这类技术文件说明设计的指导思想和原则 回答有关要研制怎样的多旋翼无人机的问题 2 生产多旋翼无人机的方法和设备的工艺文件 设备清单和说明书 回答怎样制造生产的问题 3 关于使用维护方面的技术文件 回答怎样正确使用多旋翼无人机的问题 多旋翼无人机设计工作要求 1 要有明确的设计目标 并建立评估设计优劣的准则 2 要考虑主 客观条件 处理好各种关系 3 要有专门的设计机构 比较完善的试验 试制基地 多旋翼无人机总体设计定义 多旋翼无人机总体设计是指从概念设计到初步设计阶段进行总体方案设计的全过程 其最终目标是给出最优的新机总体方案 它是根据市场调研或在用户要求的条件下 综合运用一系列基础科学 应用科学和工程技术的最新成果 选择并确定多旋翼无人机新型号的布局形式和总体设计参数 经过论证计算 分析 修正 使所设计出来的新型号能以优良的性能 最大限度地满足市场需求及达到用户的要求 总体设计对新机研制工作具有全局性影响 重大决策大部分都要在总体设计阶段做出 总体设计工作中的失误 不仅会对以后的设计工作产生不利的影响 造成时间和经济上的损失 而且往往会直接影响到新机研制的成败 因此 总体设计是多旋翼无人机研制中最为重要的一个阶段 包含了概念设计阶段和初步设计阶段两部分 概念设计的工作内容 概念设计要求解决全局性的重大问题 因此必须深人 细致和慎重地进行 要尽可能充分利用已有的经验 以求概念设计作出的重大决策有坚实可靠的基础 避免以后出现不应有的重大反复 概念设计的主要工作内容如下 1 气动布局方案论证 2 全机总体布局方案论证 3 全机总体结构方案论证 4 各部件和系统的方案论证 5 全机重量计算 重量分配和重心定位 6 确定配件和设备清单 初步设计的工作内容 方案设计阶段的初步设计是将前面概念设计所得到的多旋翼无人机的几何参数 重量参数和能量参数进一步加以具体化 使其符合各种相互矛盾的要求 进一步确定气动布局 总体布局 主要部件的结构型式 以及飞控软件开发等 制作吹风模型和进行风洞吹风试验 根据试验结果进一步进行详细的气动力计算和稳定性计算 以及动力学问题的初步计算 进行较精确的多旋翼无人机重心定位计算 在这些计算的基础上 对多旋翼无人机的总体布置进行适当修改 调整重量计算和重心位置 制造样机 协调多旋翼无人机各组合件和各系统相互的空间位置 设备安装布置等 初步设计的主要工作内容如下 1 气动方面 2 结构设计 3 系统设计 4 总体布局 多旋翼无人机总体设计的特点 多旋翼无人机总体设计是综合协调 折中权衡 反复迭代 逐渐逼近的过程 强调每一个步骤都要尽量给出具体的数据和判断 其主要特点有 1 综合协调 折中权衡 2 反复选代 逐次逼近 3 创新性与科学性 详细设计的工作内容 工程研制阶段的详细设计的任务是提交对多旋翼无人机各部件 各系统及全机进行生产 安装 装配工作所需要的全部技术文件 整理和完成绘制原型机生产所需要的全部图纸 零件图 装配图 理论图 并相应进行全部必要的计算工作 气动 结构 强度 振动和疲劳的计算等 继续进行性能 操稳 气动 动力学等方面的校核性试验 并利用校核试验结果和由图纸得到的重量 重心和惯量数据进行全面的性能 操稳等方面的计算 根据最后正式确定的外载荷进行零部件的强度校核计算 以及提前进行零构件 部件的强度试验或有关的振动试验 完成全机和零部件的重量 重心和惯量的计算 提交静力 动力试验任务书和飞行试验任务书 最后依据原型机试制所需的全部图纸 技术文件和软件 完成原型机的加工试制 然后利用原型机进行地面试验 与此同时 要提前开展驾驶员 飞手 培训工作 设计定型的工作内容 设计定型阶段所有定型试飞 检测和试验工作完成后 要进行阶段性验收 即进行设计定型 设计定型是按照新型号研制总要求 对新型号进行全面考核 1 申请设计定型的要求 经过设计定型试验 证明产品的性能达到批准的技术性能和使用要求 不得遗留重大质量问题 设计图样及文件完整 正确 协调 产品配套齐全 构成产品的所有配套设备 零部件 元器件 原材料 软件等有供货来源 2 设计定型委员会审查验收多旋翼无人机的设计定型由专门组织的设计定型委员会依据研制总要求和设计规范对新机研制全过程进行审查 考核和验收 通过后颁发定型证书 生产定型的工作内容 1 申请生产定型的标准和要求 具备成套批量生产条件 工艺符合国家有关产品质量管理规定 质量稳定 不遗留质量问题 经试验和试用 产品性能达到批准设计定型时的要求 生产与验收的各种图样 技术文件齐备 配套设备及零部件 元器件 原材料 软件供货有保障 2 生产定型委员会审查验收经过设计定型或技术鉴定后的多旋翼无人机系统 新产品生产还可能会有一定的更改 特别是工艺改进 改进后的多旋翼无人机系统进入小批量生产 首批生成的多旋翼无人机 经检验 试飞 工艺质量 并由专门组织的生产定型委员会审查 确认其符合批量生产标准 质量稳定可靠 即审查通过后颁发生产定型证书 生产定型工作结束 转入批量生产 多旋翼无人机动力装置分析 由于对多旋翼无人机新型号的结构大小 飞行空域 速度 高度和用途等性能和使用功能的要求不同 因此选用的动力装置也不同 多旋翼无人机常用的发动机有电动机和燃油发动机两大类 其中电动机有直流无刷电机和直流有刷电机两类 燃油发动机有活塞式发动机和涡轮轴发动机两大类 1 直流电动机 无刷直流电机 空心杯有刷直流电机 2 燃油发动机 活塞式发动机 涡轮轴发动机 多旋翼无人机旋翼数量分析 决定多旋翼无人机旋翼数量的因素 有 1 稳定性 2 安全性 3 体积尺寸 4 旋翼折叠综上所述 不同的旋翼数量的构型 其空气动力学特性也各具特色 其中四旋翼无人机的结构简单 机动性很好 能够做出3D特技 是最通用的选择 而六旋翼 八旋翼无人机则稳定性更好 是航空摄影摄像的良好平台 还有其他旋翼数量的构型也深受需求各异的用户喜爱 多旋翼无人机共轴旋翼分析 为了在不增大多旋翼无人机体积的情况下使多旋翼无人机的马力 总功率 更大 最简单的办法是把两个旋翼上下叠放 由发动机通过传动系统分别驱动两个大小相同 转向相反的旋翼转动 使它们产生的反扭矩相互抵消 多旋翼无人机采用共轴式双旋翼的方式 共轴反桨的上下一对旋翼的气流之间存在着相互干扰 这种气流干扰依据飞行状态的不同 对动力组合的效率影响有好有坏 其特点如下 1 悬停状态效率提高 2 前飞状态效率降低 3 机体体积减小 倾转旋翼式多旋翼无人机分析 多旋翼无人机旋翼桨叶在悬停状态和前飞状态下的工作环境是截然不同的 前飞时最大速度通常受到前行桨叶压缩性影响及后行桨叶气流分离的限制 其气动效率要比固定机翼低 最大飞行速度一般难以突破370公里 小时 这就使它虽然具有固定翼无人机所不具备的垂直起落和悬停能力 但是 其固有的弱点是飞得慢 飞不远 为了克服这一弱点 倾转旋翼式多旋翼无人机应运而生 它是一种将固定翼无人机和单旋翼无人直升机特点融为一体的多旋翼无人机 例如倾转四旋翼无人机 其机身和普通固定翼无人机基本相似 两个机翼分别位于机身的前后 位于机翼两端的四个旋翼 发动机可以向上和向前转动 当四个旋翼 发动机从水平状态转到垂直状态时 就可以像普通直升机一样实现垂直起降和悬停 当四个旋翼 发动机处于水平状态时 就能产生一个向前的拉力 使它能像固定翼飞机一般向前快速飞行 在四个旋翼 发动机处于这两种状态之间时 既产生了升力 又产生了拉力 能使它以低速飞行 与普通无人直升机相比 倾转四旋翼无人机飞行速度快 航程远 升限高 噪声小 降落和起飞更迅速 与固定翼无人机相比 它能够垂直起降和空中悬停 有翼式及复合式多旋翼无人机分析 提高正常型式多旋翼无人机的最大飞行速度主要受到三方面的限制 即局部激波 气流分离及机体前倾 其中机体前倾对提高飞行速度的限制最为严重 采用在正常式多旋翼无人机上安装辅助机翼的办法可以部分地解决这些问题 在飞行速度较大时有翼式多旋翼无人机的机翼也提供了一部分所需升力 从而减轻了旋翼的载荷 要使多旋翼无人机的最大飞行速度能大大提高 仅仅加上一个机翼是不够的 还必须设法部分或全部地解决旋翼提供水平拉力的作用 这样就出现了所谓复合式多旋翼无人机 它不仅带有机翼 还有推进装置 如拉力螺旋桨或喷气推力 在飞行速度较大时 多旋翼无人机所需的水平拉力可以全部由推进装置提供 机体也就不需前倾 甚至可以在自转状态下工作而略为后倾 显然 对于复合式多旋翼无人机 机体前倾对前飞最大速度的限制就不再存在了 其飞行速度将比正常型式多旋翼无人机及有翼式多旋翼无人机大大提高 此外 由于机翼的存在 在大速度飞行时多旋翼无人机的气动效率也比较高 这一点与有翼式多旋翼无人机相同 涵道式无人机分析 涵道式无人机总体布局为涵道风扇式结构 主要由上载荷仓 下载荷仓 涵道风扇系统和机体支架4部分组成 上部为圆柱形载荷仓 可以用来安装摄像装置 飞行控制器以及各种电子设备供电电源等 涵道中间安装了发动机 螺旋桨以及导流片等 螺旋桨由发动机直接驱动 下部载荷仓内部装载了姿态测量传感器包括3轴陀螺仪 3轴加速度计以及3轴磁强计 GPS模块 气压传感器等 涵道内部是周向分布的8 12个导流片 控制舵片分布在导流片的下方 用来产生滚转 俯仰和偏航力矩 涵道式无人机特点 涵道式无人机总体结构有单旋翼结构和共轴双旋翼结构两种 其特点有 安全性 机动性 飞行效率 隐蔽性涵道型无人机现阶段并未受到市场的太多重视 原因更多在于控制难度 产品成熟度 飞行系统空间设计方面 另外 南京航空航天大学通过风洞实验分析了涵道风扇升力系统的升阻特性 指出涵道风扇作为升力装置仅适合于强调悬停和低速飞行性能的飞行器 这说明该机型的应用范围比较狭窄 多旋翼无人机设计技术要求的内容 1 多旋翼无人机的任务使命或用途 2 使用环境条件 3 主要装载要求 4 主要飞行性能要求 5 重量要求 6 几何尺寸要求 7 飞行姿态平稳度要求 9 控制半径要求 10 可靠性与维修性要求 11 保障性要求 12 安全性要求 13 其他要求 起落场地 自转着陆 水面起降 抗风抗浪 三防 防腐 防尘 防辐射 机动性 抗坠毁性 残存性 维护性 14 典型任务剖面 旋翼桨叶旋转方向分析和选择 1 假定多旋翼无人机所有旋翼在同一平面的同一圆周上 旋翼的旋转方向可以分为两种布局 图 a 中对角线上的旋翼旋转方向相同 而图 b 中的旋转方向相反 现假设飞行中旋翼的转速为 机体俯仰运动产生的转速变化量用 表示 则对角线上旋翼的实际转速分别为 和 然而 如果两个旋翼的旋转方向相反 如 b 所示 旋转平面的旋转力矩不能相互抵消 会产生转速为2 旋转力矩 因此 对于旋翼数N 4n 2 n l 2 多旋翼无人机 采用相邻旋翼旋转方向交替布置的方法 如图 a 所示 但在俯仰运动时会产生耦合的偏航运动 旋翼桨叶旋转方向分析和选择 2 为了避免出现旋转平面旋转力矩不能相互抵消的现象 针对旋翼数量N 4n 2的情况 采用如图 a 所示的旋翼旋转方向 在俯仰运动时控制x轴上旋翼升力不变 其它旋翼进行相应的加减升力 结果如图 b 所示 这种结构控制简单 可以减少俯仰运动时可能出现的耦合 从而实现机体良好的操作性能 如图 b 所示 此外 对于旋翼个数不多的情况也可以将俯仰运动产生的转速变化 按一定比例分解到各个旋翼 以消除所产生的偏航运动 旋翼实度分析和选择 旋翼实度是旋翼所有桨叶实占面积与整个桨盘面积之比 叫做旋翼实度 以希腊字母 表示 数值一般为0 04 0 11之间 旋翼实度主要由以下3个条件确定 1 在最大前飞速度时 旋翼气流分离区域应小于1 4桨盘面积 2 在使用升限高度 空气密度较小 因而需要更大的迎角以提供足够的拉力 桨叶实度大小应确保后行桨叶气流分离区域小于1 4桨盘面积 3 最大过载要求 一般军用多旋翼无人机要求3 5的最大过载 民用机要求2 5的最大过载 式中n为过载系数 CT为悬停时旋翼拉力系数 Cymax为最大旋翼平均升力系数 旋翼半径分析和选择 1 叶端损失系数 对于实际旋翼来说 桨毂以及桨叶根部的剖面不是翼型 不会产生拉力 在桨叶尖部 作用也不能充分发挥 于是 所谓叶端损失系数为 2 旋翼半径的选择 多旋翼无人机在有 无地效悬停时 旋翼的需用功率主要由诱导功率构成式中 为该状态下悬停效率 P为该状态下发动机可用功率 J为诱导功率修正系数 为叶端损失系数 旋翼桨尖速度分析和选择 1 旋翼桨尖速度的定义 当旋翼半径R确定后 旋翼桨尖速度就取决于旋翼轴转速 空气中的音速 在标准大气压条件下约为340米 秒 多旋翼无人机旋翼桨尖速度一般控制在音速的60 70 大约为200 238米 秒 2 旋翼桨尖速度的选择 旋翼桨尖速度 R的选择主要受到影响的因素 过大或者过小的 R均会使得型阻功率增加 R的最大值受到噪声以及前行桨叶激波限制 R最小值受到桨叶动能储备以及后行桨叶失速限制 从质量方面看 在同样的半径下 桨尖速度越大 主减速器的传动比越小 因而主减速器的质量越小 在飞行速度要求较大时 桨尖速度 R按前行桨叶激波限制来确定 式中Marx为前行桨叶桨尖不出现激波的最大马赫数 对中等厚度的一般翼型 容许马赫数为0 8左右 而对于较小厚度的翼型 容许马赫数可以提高到0 9左右 旋翼桨叶片数分析和选择 旋翼实度一定时 桨叶片数越多 桨叶弦长越小 其优点与缺点如下 1 优点 减小机体振动水平 减小桨尖损失 提高飞行性能 2 缺点 桨叶片数多 使桨毂结构变复杂 桨毂重量和废阻增加 并因此而增加了维护工作量 桨叶片数较少优点是桨毂简单 重量轻 成本也低 由于桨叶弦长大 桨叶扭转刚度提高 抗弹击损伤能力增强 另外 从气动特性看 桨叶片数少有利于减小桨涡干扰效应 其缺点是不利于减少机体的振动水平 近年来随着旋翼桨毂技术的发展 桨毂结构大大简化 桨毂的阻力 重量 维护性都有了很大改善 这使降低多旋翼无人机机体的振动水平成为选择桨叶片数的决定因素 因此 一般都选择桨叶片数多 例如3片或4片 旋翼桨叶桨尖形状分析和选择 桨叶桨尖区域是一个非常敏感的区域 它既是桨叶的高动压区 又是桨尖涡的形成和逸出之处 桨尖形状小小的改变就能导致桨尖涡的强度和轨迹有较大的变化 从而影响旋翼的流场 气动载荷和噪声 因此 采用合适的桨尖形状 能有效地改进旋翼的气动特性 研究表明后掠桨尖能够缓解压缩性影响 同时 由于桨尖翼弦长度变小 使边缘涡流密度减小 又延缓了后行桨叶的气流分离 大大改善了旋翼的气动特性 旋翼桨叶尖削形状和宽度的分析 理论分析表明 带有负扭转的尖削桨叶与带有负扭转的矩形桨叶相比较 悬停效率可以提高2 3 此外 尖削桨叶的静挠度小 对多旋翼无人机的总体布局有利 桨叶剖面的弦长是该半径处的桨叶宽度 为了表征桨叶宽度的变化 常用桨叶尖梢比 ye这样一个概念 其定义为叶根宽度与叶尖宽度之比 一般 ye 1 3 在实际情况中 由于叶根及叶尖部分形状特殊 按延伸办法来处理 旋翼桨叶宽度受到旋翼实度 桨叶半径和尖削比的限制 所以桨叶宽度并不是一个独立的参数 只要旋翼实度 桨叶半径和尖削比三者的数值一确定下来 实际上桨叶的宽度也就确定了 旋翼桨叶翼型分析和选择 旋翼桨叶翼型选择的准则是要满足多旋翼无人机机动性 巡航特性和悬停特性要求 方法是选择同时具备激波临界马赫数 最大升力系数和升阻比三项指标都比较大翼型 综合考虑多旋翼无人机的机动性 巡航特性和悬停特性要求 通常是采用先进的翼型族 其中厚的翼型 一般是12 的厚度 将确保最大的升力 而中等厚度的翼型 一般是9 的厚度 也将始终产生高的升力 但它的更大的阻力发散马赫数将允许其布置在更靠近桨尖的位置 简言之 在不减低高机动性的同时 为了尽可能提高最大飞行速度 可以在桨叶桨尖部分使用薄的翼型 一般是7 9 的厚度 这是由于更薄的翼型其阻力发散马赫数更高 这样大速度飞行时可节省功率 而且在桨尖选择更薄的翼型将减小旋翼的噪音 旋翼桨叶负扭转角分析和选择 1 悬停状态 旋翼桨叶负扭转可以提高旋翼的悬停效率 延缓后行桨叶上的气流分离 理论分析表明 理想的桨叶负扭转可以使旋翼的悬停效率提高5 这意味着多旋翼无人机的有效载荷可以增加10 20 图9 11表示了桨叶负扭转角与悬停效率的关系 从图上可以看出 当桨叶负扭转小于10 时 旋翼悬停气动效率 随负扭转角 加大而增加 当负扭转超过10 以后 旋翼悬停气动效率的变化趋于平缓 因此在实际的桨叶设计应用中 一般采用负8 左右的负扭转角 2 前飞状态 多旋翼无人机前飞时 旋翼桨叶负扭转有利有弊 首先它有利于诱导速度在桨盘上均匀分布 从而减小诱导功率 改善桨叶展向气动力分布 但是负扭转也使桨叶上的交变载荷增加 对桨叶的寿命和多旋翼无人机的振动水平带来不利影响 造成前飞时桨叶存在疲劳及振动问题 综合考虑多旋翼无人机悬停和前飞两种飞行状态的利弊来选择桨叶负扭转角的数值 一般取值6 8 多旋翼无人机总重量的初步确定 为了确定总重量的第一次近似值 式中Gu为有效载荷 可根据设计技术要求中所规定的载荷重量 乘客人数 载人机 及可卸装备要求等加以确定 Gf为电池或燃油重量 可根据所要求的航程或续航时间来确定 1 根据航程来确定燃油重量 在给定航程L的条件下 Gf可按下式近似得出式中L为所要求的航程 A为加权系数 其数值可根据经验统计数据而得出 采用活塞式发动机时 A值一般为2 0 2 75 采用涡轮轴发动机时A值差异较大 其值一般为3 0左右 个别也有高达4 5以上的 2 根据续航时间T来确定燃油重量 对于使用燃油发动机的多旋翼无人机 在给定续航时间T的条件下 Gf可按下式近似得出 即式中T为所要求的续航时间 p为桨盘载荷 B为加权系数 其数值可根据经验统计数据而得出 活塞式发动机时 B约为0 007 涡轮轴发动机时B约为0 0105 桨盘载荷分析和选择 1 桨盘载荷的定义 桨盘载荷p定义为旋翼的拉力 定常飞行时旋翼的拉力近似等于多旋翼无人机总重G 与N个旋翼桨盘面积之比 常以p表示p表示旋翼单位扫掠面积所承受的重力 一般p 150N kW 450N kW 2 桨盘载荷的选择 多旋翼无人机总重越大 桨盘载荷也应选得越大 因为总重较大时选取较大的桨盘载荷能获得较高的有效载荷 采用涡轮轴发动机时 桨盘载荷可以选得大一些 这样也可以获得较大的有效载荷 对以运输为主 而且对静 动升限有较高要求的民用多旋翼无人机 拟选择较小的桨盘载荷 而对要求飞行速度高 机动性好 功率又比较富裕的军用多旋翼无人机 则可选择较大的桨盘载荷 功率载荷分析和选择 1 功率载荷的定义 功率载荷q表示海平面标准大气状态下发动机额定功率所能举起的重量 由于多旋翼无人机在定常直线飞行时重力接近于旋翼的拉力 T G 而发动机在海平面处输出功率可以化成某高度的旋翼可用功率 于是p和q值可定义为式中A R2N为桨盘面积 为功率利用系数 CT为旋翼拉力系数 为空气密度 R为桨尖速度 mk为旋翼扭矩系数 2 功率载荷的选择 多旋翼无人机悬停飞行随着高度的增加 单位需用功率也会增加 但是发动机可用功率Ne却随着高度增加而下降 到了某一高度 可用功率等于需用功率 这是多旋翼无人机的理论悬停升限 用HH表示 这时功率的平衡关系为式中 为功率利用系数 为海平面发动机单位额定功率 Ae为发动机的高度特性系数 在海平面上为1 电动机功率分析和选择 1 电机 电机分为有刷电机和无刷电机两类 无刷电机在型号命名上用4位数字来表示它的尺寸 前面2位数是电机转子的直径 后面2位数是电机转子的高度 一般而言 越大的电机 其转速和扭力也就越大 无刷电机KV值定义为 转速n 意思为当输入电压增加1伏特时 无刷电机空转转速增加的转速值 KV值越大 速度越快 但扭力越小 KV值越小 速度越慢 但扭力越大 实际使用中 大螺旋桨就需受用低KV电机 小螺旋桨就需要高KV电机 一节锂电池的电压3 7伏特为1S 微微型多旋翼无人机的电机常用1S电池驱动 而较大些的采用无刷电机一般为2 3S 也就是7 4 11 1伏特来驱动 2 电调 电调即为驱动电机用的调速器 电调的作用就是将飞控板的控制信号转变为电流的大小 以控制电机的转速 因为电机的电流是很大的 通常每个电机正常工作时平均有3A左右的电流 如果没有电调的存在 飞控板I O根本无法承受这样大的电流 同时电调还充当了变压器的作用 将11 1伏特电压转变为5伏特为飞控板和遥控器供电 燃油发动机功率分析和选择 1 发动机的有效功率Nu 2 发动机的比重 e 3 发动机的耗油特性Ce 4 发动机的高度特性 5 发动机的温度特性 6 发动机的速度特性 7 发动机的起动特性 8 发动机的加速性 9 单位横截面积的有效功率Nc 10 发动机的可靠性 11 技术维护的简易性 12 成本和振动噪声 多旋翼无人机总体布局的任务 1 进行总体构型设计和协调 2 布置和协调各主要部件的相对位置和尺寸 3 具体安排多旋翼无人机内部的各种装载和设备 4 合理布置结构承力型式 布置和协调各主要结构承力件的相对位置及其尺寸 实现多旋翼无人机的气动布局和重心定位要求 这四个方面不是孤立的 而是互相影响 并具有内在的联系 总体布局的最终结果是绘制出总体布置图 交点数据图 重量分布和重心定位图 并最后完成总体布局初期所绘制的三面图 以及说明和确定多旋翼无人机初步设计方案的各种技术文件 为全机详细设计提供依据 多旋翼无人机总体布局的要求 1 空气动力要求 2 重心定位要求 3 可靠性 维修性和保障性要求 4 强度 刚度 最小重量要求 5 工艺要求和成本要求 尽量采用圆形截面和单曲度的简单几何形状 以简化工艺和制造 尽量考虑结构的继承性特别是对研制周期较长的动部件 更应该尽可能考虑结构的继承性 尽量减小零构件的种类 采用标准化 规格化和积木式产品结构 合理划分和选取分离面 充分考虑装配开敞性 以减少装配工作量 运用成本设计的概念 采用良好的结构工艺 降低生产和使用成本 从选材 布置 设计等各个方面增加部件的使用寿命和返修寿命 延长返修间隔时间 多旋翼无人机外形结构布局 多旋翼无人机外形结构以旋翼分布位置分为 I 型 或称为 型 和 X 型两种布局 最前与最后两个旋翼轴的连线与机体前进方向在同一直线上 多旋翼无人机呈 I 型 否则呈 X 型 由于 X 型结构的实用载荷前方的视野比 I 型的更加开阔 所以在实际应用中 多旋翼无人机大多采用 X 型外形结构 除了这两种类型以外 还有其他类型的结构外形 包括 V 型 Y 型和 IY 型等 桨盘平面的布置 旋翼桨盘平面水平布置的方案是旋翼轴线相对机体轴线的垂直线之间的角度为零 其优点是结构简单 缺点是前飞时机体要有一个前倾角 需要使用云台来保持摄影相机处于水平状态 而旋翼桨盘平面倾斜布置表示旋翼轴线相对机体轴线的垂直线之间的夹角不为零 旋翼轴线倾斜方向朝向机体中心 旋翼轴线向机体中心倾斜的角度称为旋翼轴内倾角 这种布局方案的优点是前飞时机体不必前倾 因此无需使用云台也能保持摄影相机处于水平状态 采取旋翼桨盘平面倾斜布置的多旋翼无人机 其旋翼数量至少要有6个或以上 旋翼的安装位置 1 旋翼位于机臂上方的布局特点 旋翼产生向上的升力为拉力 旋翼在支臂上方旋转 受到支臂保护 着陆时不易碰到障碍而损坏桨叶 旋翼不会遮挡摄影相机向下的视野 2 旋翼位于机臂下方的布局特点 旋翼产生向上的升力为推力 旋翼在支臂下方旋转 桨叶下洗流完整 气流低于飞控气压计高度 准确 旋翼和机体半径 机体半径H与旋翼最大半径Rm存在如下关系 Q表示轴间夹角 在多旋翼无人机总体设计中 减小机体尺寸对多旋翼无人机惯性 有效负载具有很大影响 并最终影响最大飞行速度和航程 相邻旋翼桨叶之间的距离 多个旋翼的布置包括确定两相邻旋翼之间间距的确定 假定两相邻旋翼之间间距LHB与旋翼半径R之比为 当 2时两旋翼有重叠 而当时完全不重叠 LHB容许的最小值取决于保证相邻两旋翼的桨叶没有相碰危险的条件 式中 为两个桨叶夹角的1 2 k k是每个旋翼的桨叶片数 为桨叶摆动幅度的1 2 可取前后限动角之和的1 2 全机重心位置 1 多旋翼无人机前飞时 由于旋翼所受的气动阻力矢量与多旋翼无人机前飞方向相反 如果全机重心位置在桨盘平面上方 那么阻力形成的力矩会促使多旋翼无人机俯仰角朝发散方向发展 直至翻转 如果全机重心位置在桨盘平面下方 那么气动阻力形成的力矩会促使多旋翼俯仰角转向0度方向 因此 当多旋翼无人机在前飞状态时 重心在桨盘平面的下方会使前飞运动稳定 全机重心位置 2 多旋翼无人机飞行时受到阵风干扰的情况如图所示 当阵风吹来时 由于旋翼所受的气动阻力矢量与阵风吹来的方向相同 如果全机重心位置在桨盘平面下方 那么气动阻力形成的力矩会促使多旋翼无人机俯仰角朝发散方向发展 直至翻转 如果全机重心位置在桨盘平面上方 那么气动阻力形成的力矩会促使多旋翼俯仰角转向0度方向 因此 当多旋翼无人机受到阵风干扰时 重心在桨盘平面的上方可以抑制阵风扰动 空气动力布局设计 对多旋翼无人机外形进行设计主要是为了降低飞行时的阻力 包括摩擦阻力 压差阻力 诱导阻力和干扰阻力等 需要进行流线形设计 使部件有良好的外形 气动布局设计内容有 1 需要考虑多旋翼前飞时的倾角 减少最大迎风面积 2 设计流线型机身 减小气动阻力 3 考虑和安排各部件之间的相对位置关系 部件连接处尽量圆滑过渡 表面也要尽量光滑 4 通过CFD仿真计算阻力系数 不断优化 机体的布局设计 在进行机体结构布置及确定其外形参数时 应着重考虑 1 保证机体迎风面积最小 以减小废阻 2 采取各种结构和安全措施 保证旅客 载人型 生存力 3 刚度 强度满足负载要求 机体不会发生晃动 弯曲 4 满足其他设计原则下 重量越轻越好 5 根据内部装载安排的要求 最大限度地利用机体内部容积 使内部布置紧凑合理 6 旅客座舱应有良好的视界 并设有应急逃生出口 7 满足可运输性要求 美观耐用 THANKYOU 2020 3 28 下节课我们继续遨游天际