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三旋翼垂直起降固定翼空中機器人
來源:Admin  發布時間:2015-10-13  點擊量 2006 次

近幾年,隨著無人機市場的井噴式發展,無人機被越來越多的普通人所接受,特別是以大疆創新、零度智控等公司推出四旋翼消費級無人機,將航拍推向了普通大眾。然而,無人機更廣泛的市場還在于邊境巡邏、森林滅火、電路巡線、管道巡線、遙感測繪等方面;目前市場上流行的多旋翼無人機具備垂直起降、懸停的功能,使用不受地形的限制,但由于旋翼機巡航功率大、氣動效率低,使得旋翼機的續航性能、最大平飛速度都受到了很大限制,也大大的限制了旋翼機在上述領域中的應用。一直以來,各國都在積極研發既能夠不受地形限制,又具備高巡航效率的飛行器,傾轉旋翼是其中一種解決方案。傾轉旋翼無人機的主要特點是起飛著陸時采用旋翼起飛的原理,降低對起降場地的要求,升空后,旋翼傾轉提供無人機前進的拉力,無人機產生水平速度并最終以固定翼的方式飛行,使傾轉旋翼同時具備了直升機與固定翼無人機的優點。

目前項目組經過前期的研發工作,設計了如下三旋翼垂直起降固定翼空中機器人的方案(如圖 1~圖 2所示),采用下單平直翼、V尾布局,機翼半翼展中段安裝兩臺拉槳電機,尾撐桿下側豎直安裝了推槳電機,其中機翼上兩臺拉槳電機可繞翼展方向鉛垂方向與水平方向之間傾轉,尾部推槳電機可繞機身軸線小范圍內旋轉。

垂直起飛時,機翼上兩臺拉槳電機旋轉至豎直狀態,電機啟動,尾部電機一方面通過反饋控制電機輸出功率,將升力的作用點后移至全機重心,確保無人機平穩起飛,另一方面,尾部電機繞機身軸線傾轉一定角度,產生一個客戶電機反扭矩的力,使得垂起過程中機身航向不變。起飛至所需高度后,機翼上兩套電機同步向前偏轉,偏轉速率與無人機已有的水平速度保持協調,確保傾轉過程中水平運動所產生的氣動升力能夠彌補電機傾轉時直接力升力的減少,避免無人機高度損失;在此過程中,尾部電機一直發揮一個調節合力作用點與平衡偏航力矩的作用。達到一定水平速度后,尾部電機停止工作,無人機按照固定翼模式飛行。

降落時,無人機減速飛向著陸點附近,由于速度損失造成升力的不足可由旋翼的傾轉提供直接力來彌補,直至無人機水平速度減至零,最后垂直降落。另外,盡管目前電機與控制電路的故障率已經非常低,但為進一步提升無人機的可靠性與安全性,可為無人機配置小型降落傘,一旦無人機失控,可通過開傘降落。



     另外,配置了前三點式起落架的無人機還可通過滑跑的方式實現短距起降,系統可靠性更高。目前的設計中,機翼處電機固定于可繞軸旋轉的鋁制框架內,高扭矩舵機拉動搖臂可使鋁制框架讓平行于機翼展向的軸轉動,實現旋翼從水平至豎直的傾轉(如 REF _Ref426399128 \h \* MERGEFORMAT 3所示);尾部電機同樣固定于可繞平行于機身軸線旋轉的鋁制框架內,由舵機帶動電機繞機身軸向旋轉,實現克服偏航力矩。目前整機機體結構已完成設計。

         三旋翼垂直起降固定翼空中機器人項目的技術難點

主要有以下幾個方面:

a)簡單、高效、可靠的傾轉旋翼機構設計

與變后掠翼飛機類似,通過后掠角改變跨音速性能的性能是以犧牲結構重量為代價;而三旋翼垂直起降固定翼空中機器人獲得垂直起降能力的同時也需要付出額外的結構重量,降低無人機的有效任務載荷,因此需要設計一套簡單、高效、可靠的傾轉旋翼機構,初步的設計如  3~ 4所示,所花費的結構代價最小,其效率與可靠性還需進步試驗驗證。

b)電機高速旋轉的振動對傾轉控制的影響分析

通過前期的試驗結果,電機高速轉動時會產生劇烈的振動,該振動對于連桿傾轉機構間隙要求很高,間隙過大或機構控制精度較差,常常造成機翼電機在俯仰方向的隨機擺動,從而引起機體左右升力不均衡,使得機體離地后傾倒,而該隨機擺動對于傾轉反饋控制有很大的干擾,解決的辦法首先是降低機構間隙,使位置在振動過程中位置漂移量達到最低,其次在控制上加強魯棒性設計。

c)傾轉過程中螺旋槳滑流對全機氣動特性的干擾分析

傾轉過程中,盡管水平速度較低,但機翼始終處于一個小迎角范圍內,可采用基于雷諾平均的CFD求解器可獲得多個速度下無人機高精度氣動力系數;然而隨著電機的傾轉,螺旋槳射流方向會隨之而變動,滑流與機翼的相互干擾會使得全機氣動力系數的改變,因此要通過CFD計算多個傾角下螺旋槳滑流的干擾分析,才能夠更為精確的建立無人機傾轉過程中的動力學模型,而后對控制率提供設計依據。

d)傾轉過程中無人機控制率設計

傾轉旋翼的設計最難點即為過度狀態的控制率設計,起飛狀態下,內回路的控制即為保持水平、航向與滾轉的穩定性;滾轉方面需要機翼左右旋翼間偏角與輸出功率的匹配;水平方向需要控制尾部旋翼與機翼旋翼匹配,使合力作用點穩點在重心附近;航向上,尾部旋翼傾轉需要與航向變化匹配,另外由于尾部旋翼的傾轉帶來的豎直方向力的減少還需要增大輸出功率來匹配,整個系統有六個控制變量、三個控制目標耦合控制,較為復雜。 

國內很多研究者都提出了大量的傾轉旋翼布局,并已申請了大量的專利,雖然已有類似于我公司提出的三旋翼垂直起降固定翼空中機器人方案,但實際制造者寥寥無幾,僅僅提出了一種構想。目前在傾轉旋翼無人機方面還沒有具體的技術標準,通過該項目的成果轉化可以逐漸形成一套關于傾轉旋翼無人機過渡技術的行業評價標準。

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