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簡述多旋翼無人機總體設計思路

2019-10-19 10:15 性質:轉載 來源:搜狐
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從飛行力學上來看,多旋翼無人機是靠螺旋槳轉速的變化,來調整力和力矩的,從而實現多旋翼無人機的飛行運動控制。但是,對多旋翼無人機的槳葉來說, 一方面,槳...

從飛行力學上來看,多旋翼無人機是靠螺旋槳轉速的變化,來調整力和力矩的,從而實現多旋翼無人機的飛行運動控制。但是,對多旋翼無人機的槳葉來說, 一方面,槳葉尺寸越大,越難以迅速改變其速度。也正是因為如此,直升機主要是靠改變槳距而不是速度來改變升力。 另一方面,在大載重下,槳葉的剛性需要進一步提高。不可變距的槳葉上下振動會導致剛性大的槳葉很容易折斷,因此,槳葉的柔性是很重要的,它可以減少槳葉來回旋轉對槳葉根部的影響。所以,大載重多旋翼無人機的大槳葉少見。但是,可以通過增加旋翼數量來提高多旋翼的載重能力。[1]在消費級領域,四旋翼無人機居多,主要是體積小,效率高,在工業級領域,六旋翼,八旋翼無人機則比較常見。

總體參數設計

1.1 起飛重量

起飛時,多旋翼無人機必須能產生大于本身重力的升力,才能使多旋翼無人機離開地面升空。由于多旋翼無人機只能產生有限的升力,因此多旋翼無人機本身的總重必須受到限制,以保障能夠正常起飛離地,即機體結構重量和航電設備的總和。

1.2 有效的載荷

是指多旋翼無人機上裝載的,為直接實現機體運行要完成的特定任務的儀器、設備等,有效載荷尺寸的大小,直接影響多旋翼無人機的機體總體尺寸。例如,攝像頭,吊艙等。

1.3 軸距

多旋翼無人機多采用均布式位置分配方式,對稱位置上電機輸出軸距離是影響多旋翼無人機總體尺寸的重要因素,在總體參數設計時需要考慮軸距計算是否合理。參考多旋翼無人機對稱電機軸距經驗公式:[2]

式中:a為螺旋槳尺寸,單位為in;b為換算單位,1in=25.4mm;e為電機系數(根據電機kV值選取經驗值)。

1.4 槳尖距離

支臂相鄰的兩副螺旋槳之間的氣動干擾是多旋翼無人機的最大弊端。正對著自由來流的兩副螺旋槳彼此之間氣動干擾最劇烈,作為多旋翼無人機的典型狀態,應計算其相互之間的氣動干擾。槳尖間距評估,可以得出相鄰螺旋槳最佳的槳尖間距,以六旋翼無人機算例評估,最佳相鄰螺旋槳槳尖間距為0.2R。[3]

1.5 重心位置

在設計時,必須將重心設計到多旋翼無人機的中心軸上。有以下兩種重心布置方式,其一,如果多旋翼無人機重心在槳盤平面下方,在前飛狀態下,誘導的來流會產生平行于槳盤平面的阻力。阻力形成的力矩會促使多旋翼無人機俯仰角減小,表現為控制遲鈍。其二,在前飛狀態下,若多旋翼無人機重心在槳盤平面上,那么阻力形成的力矩會促使多旋翼無人機俯仰角比較發散,其表現為,控制靈敏,機動性高。[4]

在結構上,重心向下和重心向上,都會引起額外的阻力力矩。造成多旋翼無人機的不穩定。這樣就需要通過反饋控制來調節多旋翼無人機的平衡。如果重心在槳盤平面很靠上的位置,會使多旋翼無人機某個運動模態很不穩定。因此,實際中建議將重心靠近多旋翼無人機的中心,或者根據需求可以稍微靠下,這樣飛控控制起來更容易些。

1.6 飛行時間估算

根據相似機型飛行經驗,多旋翼無人機在x(kg)起飛重量下正常飛行所需功率在(w),然后根據所選動力系統的電池組估算飛行時間,例如:2塊6s,22000mah的電池所能產生的最大功為2*6*4.2(v)*22(A.h)=1108.8Wh,多旋翼飛行中,電池一般留有30%的余量,電池所能釋放的有效功=1108.8*0.7=776.16Wh,有效飛行時間(min)為公式為:

旋翼系統選型設計

2.1 螺旋槳

螺旋槳是產生升力的關鍵部件。其中電機、電調和螺旋槳合理的搭配與設計,可以在相同的升力下耗用更少的電量,這樣就能延長多旋翼無人機的續航時間。選擇最優的螺旋槳是提高續航時間的一條捷徑。[5]

1)型號

假設螺旋槳在一種不能流動的介質中旋轉,那么螺旋槳每轉一圈,就會向前進一個距離,就稱為螺距。顯然,槳葉的角度越大,槳距也越大,角度與旋轉平面角度為0,槳距也為0。螺旋槳一般用4個數字表示,其中前面2位是螺旋槳的直徑,后面2位是螺旋槳的螺距。比如:1045槳的直徑為10英寸,而螺距為4.5英寸。

2)槳葉數

有實驗表明,對于多旋翼無人機,2葉槳的性能最優。[6]

3)安全轉速

因為多旋翼無人機所使用的螺旋槳都具有一定柔性,所以超過一定轉速后,螺旋槳就會發生形變,效率也因而降低。安全轉速的計算,要保證在所有可能工況下不超過最高允許轉速。

動力系統的選型設計

3.1 無刷電機

最先需要考慮的就是其使用的多旋翼無人機的整機重量,需要根據整機重量選擇電機的最大拉力(需要匹配螺旋槳)。整機重量最好不要超過電機拉力的五分之二(即電機最大拉力要大于整機重量2.5倍),因為多旋翼無人機除了上升的動作外,還需要完成前進后退,左右橫滾,極速前進等動作,并且在有風的環境中需要克服風的阻力。

其次需要關注的是電機的KV值,KV值是每1V電壓下電機每分鐘空轉轉速變化率。相同功率的電機,KV值越高,單位電壓下轉速變化越快,這意味著可實現更快的反應速度;KV值越低,單位電壓下轉速變化越慢,能輸出更大的扭矩。相同功率的電機,選擇高KV值的型號能夠實現更靈敏的反應速度,只能帶小槳。[7]

3.2 電調

無刷刷電機由于取消了碳刷結構,需要能替代碳功能的部件,這個就是電調,電調負責將直流電,轉換為三相電,并根據需要控制其電壓電流大小,從而驅動無刷電機實現需要的轉速輸出。在確定電機型號后,根據電機的最大電流,再選擇合適的電調。[]具體地,電調的輸出電流必須大于電機的最大電流,而且是越大越好。例如,所選擇的電機帶槳的最大負載電流是50A,那么電調的最大電流必須是60A,或者80A,電調電流越大,越不容易燒毀。

3.3 電池

多旋翼無人機電池通常是指鋰電池,電池儲存的能量,單位為Wh(瓦時),能量(Wh)=電壓(V)×電池容量(Ah)。例如,標識為3.7V/22000mAh的6S電池,其能量為488.4Wh,把2塊這樣的電池串聯,就組成了一個電壓是44.4V,容量為22000mAh的電池組,雖然沒有提高電池容量,但總能量確提高了2倍。

放電倍率(C)是指在規定時間內放出其額定容量(Q)時所需要的電流值,它在數值上等于電池額定容量的倍數。放電倍率決定了電池的放電電流(A),例如,對于容量為24Ah,放電倍率5C的電池,它的放電電流就是120A。如果其放電倍率為2C,0.5小時放電完畢;用12A充電,如果其充電倍率為0.5C,2小時充電完畢。

電池主要參數:電壓+容量+放電倍率來確定放電持續電流,例如:3S(11.1V),4200mAh,30C放電持續電流為126A。

3.4 綜合選型

在配對選型時,一方面,電池電流持續輸出要大于電調最大持續電流,按上述電池3S電池,電調就可以選擇80A或者100A,另一方面,電池電壓要小于電調最高承載電壓。

電機工作電壓由電調決定,而電調電壓由電池輸出決定,所以電池的電壓要小于電機的最大電壓,而且,電機能承受的最大電壓要大于電調最大電壓。

工業設計

首先,采用集成化產品化設計思路,對多旋翼無人機的造型進行符合產品特點的設計,造型線條豐富多變,曲面與平面得運用與融合具有創新性與藝術性。然后,融入公司特色,整體風格統一,確定整體外觀配色方案,提高產品的市場價值。最后,完成外觀模型以及概念設計原型的制作。 參考前期文章《從工業設計角度談多旋翼無人機設計》。

結構設計

根據總體參數和外觀設計要求,首先,要從產品加工角度和氣動分析角度評估外觀造型的結構合理性,其次,需要評估和控制多旋翼無人機結構總體重量,為總體參數反復論證提供依據。再次,需要對所選的器件(或設計)進行合理的總體布置與設計。最后,根據多旋翼無人機的結構功能需求詳細結構設計。主要是從如下幾方面入手。第一,多旋翼無人機本體結構強度。在滿足多旋翼無人機各種運動工況的情況下,應使結構設計向輕量化。第二,結構設計再不影響外觀的創新性的情況下,盡量設計合理的零部件,滿足現有加工工藝水平,降低結構工藝水平,從而降低成本。第三,功能性設計,滿足多旋翼無人機結構動力學設計要求,分析運動部件的可靠性與動特性。第四,對內部電氣結構及走線設計,滿足電氣結構的三防,高低溫,電磁兼容等可靠性設計要求。第五,減震設計,在多旋翼無人機上,對于震動特別敏感傳感器,需要做減震處理,否者會影響到整機的的控制精度。

參考文獻

[1] 付松源.系留多旋翼無人機及其在戰術通信中的應用[J].電子技術應用,2018(4):14-17,22.

[2] 聶營.王生.楊燕初.螺旋槳凈推力數值模擬與試驗對比分析[J]. 計算機仿真,2009(3):103-107.

[3] 蔣曉莉.楊士普.螺旋槳飛機滑流機理分析[J].民航飛機設計與研究,2009(4):34-38.

[4] 楊少沛.劉建中.風光互補發電系統在無人機中的應用[J].科技創新與生產力,2017(2):89-91.

[5,6,7,8] 源于網絡

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