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《中國戰略新興產業》雜志論文

一種傾轉四旋翼飛行器用于送貨的方案研究

2019-6-13 9:29:00 | 瀏覽127次 | 《中國戰略新興產業》論文 | 全部雜志
  摘 要:本文介紹了一種新型的飛行器,并分析該飛行器的結構和飛行的三種模式和相應的飛行原理,并提出使用該種飛行器用于送貨的方案,發現相對于固定翼與多旋翼其可行性更強,效率更高。
  關鍵詞:傾轉旋翼;物流;無人機;飛行控制
  一、背景
  傳統的固定翼飛機具有高航程和耗油量低和載重大的優點,但在起飛前需要助跑來獲得一定的速度;而直升機可以完成垂直起降,彌補傳統固定翼飛機的缺點。自二十個世紀,技術人員就開始在二者之間不斷探索,旨在尋找一種既可以垂直起降又能保障高航速和長航時的整合型技術。上世紀末,傾轉旋翼無人機技術應運而生。
  傾轉旋翼機早期的想法是由德國科學家George Lehberger在1930年提出,意大利在二十世紀90年代借鑒德國最初的構想開始設計“伊利卡”方案,該方案中提出了一種簡化的傳動系統,使兩個旋翼短艙的傳動軸連在一起,并通過2臺發送機驅動傾轉,提高了自轉性能。美國在二十世紀四十年代末開始了對傾轉旋翼機的探索,最初因為氣動彈性不平衡而導致墜機,后來在美國軍方的支持下不斷發展,現在“魚鷹”的海平面巡航速度在直升機模式和固定翼模式下分別可達185公里/小時和509公里/小時。其運輸能力在短距起降(STOL)時的最大重量為27.4噸。并且還具備空中受油的能力。
  傾轉旋翼無人機兼具旋翼無人機和固定翼無人機的優點,能夠垂直起降、定點懸浮,還可以高速巡航飛行。在飛行模式上有垂直起降飛行模式、過渡飛行模式和固定翼飛行模式,填補了旋翼飛機和固定翼飛機飛行速度包線之間的空白,因此能夠勝任旋翼無人機或者固定翼無人機單獨無法完成的任務,在軍事和民用兩方面均能發揮重要作用。
  在軍事上,由于起降不需要跑道,所以機動性強,面對機場被破壞或航母受創的特殊情況不受影響;與直升機相比較,結構更加簡單,所以維修起來難度小,并且由于有更快的速度和更大的載重量,在作戰中有很大的戰略意義,可以用作運輸機,也可以提前戰斗支援和災難救援工作的時間。
  在民用上,價格較直升機偏低,結構簡單,操作簡單;發出的噪音較直升機小;由于垂直起降,在經濟較落后或者缺乏機場的地區可以推廣,比如說可以代替客機,提高交通能力,促進城市發展和建設;可以節省大量的空間,降落和起飛很方便。
  由于當前快遞業面對淘寶、京東等在線商城的蓬勃發展倍感壓力,商品送達的時間因為城市交通的瓶頸限制已經很難有大的提升,而且農村、山區等地區的單次送貨成本居高不下,因此使用無人機送貨的想法已經開始進行測試。但是由于送貨地方很難保證有充足的空間進行固定翼飛機的起降,而四旋翼飛行器又有航程和速度的限制,所以此方法仍然不成熟。因此本文聯系當前快遞業的發展需求和傾轉旋翼機的發展,提出一種新型的傾轉四旋翼無人機方案。
  二、總體結構
  傾轉四旋翼飛行器可以大致分為5個部分:機體部分、翼面部分、控制部分、動力部分和運動部分。5個部分的功能各不相同卻又相互作用。機體部分指的是機身骨架,它為其他部分提供固定安裝和機械連接,也主要負責負載重物;翼面部分指的是機翼、尾翼和前翼,三者構成三翼面布局,用來提供飛行器巡航時的升力和穩定飛行器的姿態;動力部分指的是電池、電動機或燃油發動機,既為控制部分提供電機,又為運動部分提供扭矩;控制部分即為飛行控制系統,它為運動部分提供精密準確的控制指令;運動部分主要是指旋翼和控制面,飛行器的各種飛行姿態由各旋翼和控制面的運動組合來實現
  以下是飛行器5個部分的初步設計:
  動力部分:選用的是重量輕而能量密度高的聚合物鋰電池作為能源,用以驅動6個無刷直流電機,為旋翼提供必要的轉矩。總共有四個電機,用來提供抵抗重力的升力和前進時的推力。兩個高精度大扭矩數字舵機通過平行四邊形結構用于使旋翼軸具有至少90°的傾轉行程。
  翼面部分:包括主機翼、尾翼和前翼,構成三翼面布局。主機翼采用矩形翼的平面形狀,并采用層流翼型。
  運動部分:主要為旋翼、減速器和控制面。4個旋翼的4個槳材料為碳纖維,碳纖維具有強度高、重量輕和剛度大的優點。
  機體部分:為動力部分和運動部分提供必要的支撐并確定整個飛行器的機體外形。除連接標準件外,機體材料選用碳纖維、玻璃纖維和尼龍等比重小的材料,以減輕飛行器的重量。
  控制部分:負責飛行的穩定性控制,達到三種模式下的穩定和操縱控制,實現飛行器起降、懸停、巡航、轉向的遙控控制,并使飛行器按照預先設計的策略飛行。
  (一)固定翼和四旋翼的分布
  在傳統固定翼飛機的基礎上,再給飛行器加一個前翼,在前翼和尾翼的末端裝上四個旋翼,而中間的機翼可以隔離前旋翼產生的滑流對后旋翼的干擾,降低彼此之間的耦合而降低控制系統設計的難處。
  (二)機體與包裹的裝配
  將貨物放入整流罩中,這應可以使所運貨物的形狀呈流線型,從而來減小阻力,可以將裝有貨物的整流罩放在飛行器的頂部并且固定住,這樣可以又不影響降落,又可以給收快遞的消費者一種安全感。當需要增加航程時,可以將副油箱掛在離機體重心較近的地方,這樣不會造成飛行器的姿態控制的難度增加。
  三、控制方案
  飛行器每20ms進入一次遙控器檢測環節,檢測遙控器各通道的當前指令值,并按照新的指令來改變飛行器的位置及姿態參考值;在每個20ms內,進入傳感器檢測環節,計算出當前的姿態及位置信息,并與參考值進行比較,利用PID控制率來產生控制器的輸出。
  若當前旋翼傾轉角大于30°,則控制器將輸出至副翼及舵面,即采用固定翼的方式來維持飛行姿態;若當前旋翼傾轉角小于30°,則控制器將輸出至各旋翼的轉速控制上,即通過四旋翼的方式來維持飛行姿態。
  (一)四旋翼模式
  起飛和降落時,飛行器進入四旋翼模式。通過四個旋翼的轉動方向和轉速大小來控制飛行姿態。假設四個旋翼順時針方向分別記為旋翼1、2、3、4(右上方的旋翼記為1)。
  垂直運動/懸停:旋翼1、3逆時針轉,旋翼2、4順時針轉,并且四個旋翼轉速相同,使飛行器在水平方向上處于平衡狀態;而在豎直方向上,產生的升力大于重力,從而產生向上的加速度,進行垂直運動,降落時其他條件不變,讓升力要小于重力就可以垂直降落了。
  俯仰運動/前后運動:以前進運動為例,在空中靜止狀態下,旋翼2、3轉速增大,旋翼1、4轉速減小,并且增大量和減少量相同,保證飛行器豎直方向上的平衡。此時,由于四旋翼后端升高、前端降低,發生前俯運動。旋翼產生的升力可以分解到豎直方向和水平方向上,水平方向的分力可以讓四旋翼開始前進。
  滾轉運動/左右運動:以向右運動為例,以在空中靜止狀態下,旋翼3、4轉速增大,旋翼1、2轉速減小,并且增大量和減少量相同,保證飛行器豎直方向上的平衡。此時,由于四旋翼左端升高、右端降低,發生右滾運動。旋翼產生的升力可以分解到豎直方向和水平方向上,水平方向的分力可以讓四旋翼開始向右運動。
  偏航運動:以順時針偏航為例,旋翼1、3的轉速增大,旋翼2、4的轉速減小,同時增大和減少的量相同,這樣,可以保證重力和升力平衡。而在水平方向上飛行器所受到的順時針的反扭矩比逆時針大,飛行器就會順時針轉動起來,發生右偏運動。
  (二)固定翼模式
  在固定翼模式下跟傳統飛機的操縱機理基本相同,操縱原理如下:
  滾轉運動:以右滾為例,將左副翼向下偏,右副翼向上偏,則左端機翼所受升力增大而抬起,右端機翼升力減小而降低,飛行器發生右滾運動。
  偏航運動:以右偏航為例,方向舵右偏,則方向舵向左的力增加,使飛行器受到右偏的力矩,從而產生讓飛機發生偏航運動。
  俯仰運動:以低頭為例,和方向舵類似,將方向舵上偏,則尾翼的升力增加,使飛行器受到低頭的力矩,從而使飛機受到發生俯仰運動。
  (三)傾轉模式
  當傾轉四旋翼以四旋翼模式起飛至一定高度后,旋翼發生傾轉至30°,此時仍采用四旋翼模式控制飛行器姿態,但是傾斜的旋翼拉力將使飛行器獲得前飛的動力。當四旋翼部分的轉速達到一定的速度時,將旋翼傾轉至水平,此時飛行器的水平速度已經足以讓固定翼的機翼部分產生足夠的升力,控制舵面也都有了效率,采用固定翼模式控制飛行姿態和軌跡。降落過程與此相反,不再贅述。
  四、總結
  使用該種傾轉四旋翼飛行器用于無人機送貨將具有以下優點:由于飛行器速度快,所以運貨的范圍得到了擴大;縮短了消費者等候商品的時間;載重量大,擴大所運輸貨物的種類的范圍,比如說較重的商品;速度大,可以避免包裹受到打劫或被擊落。
  參考文獻:
  [1]Mahony R,Kumar V,Corke P.Multirotor Aerial Vehicles:Modeling,Estimation,and Con⁃trol of Quadrotor[J].IEEE Robotics&Automation Magazine,2012,19(3):20-32.
  [2]Erginer,Bora,and ErdincAltug."Modeling and PD control of a quadrotor VTOL vehicle." 2007 IEEE IntelligentVehicles Symposium. IEEE,2007.
  [3]Tomi T,Schmid K,Lutz P,et al.Toward a Fully Autonomous UAV:Research Platform for In⁃door and Outdoor Urban Search and Rescue[J]. IEEE Robotics&Automation Magazine,2012,19 (3):46-56.
  [4]張陽勝,劉榮.一種新型六旋翼飛行器的設計[J].機械與電子,2010(5):64-66.
  [5]符冰,方宗德,侯宇.一種新型微旋翼飛行器的設計與控制[J].航空制造技術,2006(5): 91-94.
  [6]方振華.傾轉四旋翼飛行器控制系統設計[D].哈爾濱工業大學,2012.
  [7]王英杰,吳強,姜洪法,等.一種旋翼可折疊的物流無人機構型:CN104443376A[P].2015.
  [8]鄧揚,何軍,李奇.自動化無人機快遞系統的研究與設計[J].計算機光盤軟件與應用,2014 (12):102-104.
  [9]張明廉.飛行控制系統[M].國防工業出版社,1984.
  作者:季宇昂
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