复合式双旋翼微型飞行器设计

宋煜

摘 要：近些年来垂直起降飞行器因对起降场地要求低而受到广泛关注。结合旋翼飞行器和固定翼飞行器的优点，提出一种复合式双旋翼微型飞行器的设计方案。该飞行器既具有垂直起降和悬停性能，又具有较快的飞行速度，具有转换过渡稳定平滑，可控性强，易于实现的特点。通过试制原理验证机，并对各飞行状态及转换过渡飞行进行飞行实验，验证了该方案的可行性和实用性。

关键词：微型飛行器；旋翼；固定翼；垂直起降飞行器；复合式飞行器

中图分类号：V279+.2；V275+.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）05-0054-02

由于固定翼飞行器和旋翼飞行器具有互补的优缺点，人们希望能融合这两种飞行器的优点，从而发展出了垂直起降（VTOL）飞行器这种新型航空器，能够同时兼有旋翼飞行器的垂直起降能力和固定翼飞行器的高速平飞能力[1]。其中复合式飞行器、倾转旋翼飞行器和旋转机翼飞行器是垂直起降飞行器中的典型代表，近年来获得了很多突破性进展[2]。但倾转旋翼飞行器和旋转机翼飞行器都有成本高、结构复杂、可靠性差等问题，尤其是动力转换问题和过段价段的稳定性问题是制约它们进一步发展的难题[3]。相对来说，复合式飞行器尽管飞行速度不如倾转旋翼飞行器和旋转机翼飞行器，但成本比较低，结构相对简单，可靠性更好，因而被广泛研究。根据国外数据统计，在垂直起降飞行器中，复合式飞行器的类型最多，占50%以上。

对无人飞行器来说，成本和技术复杂性无疑是对其最大的阻碍，因而可垂直起降的高速无人飞行器主要是复合式无人飞行器，通常是在固定翼飞行器平台上附加安装提供垂直升力的旋翼系统。

本文综合旋翼飞行器和固定翼飞行器的优点，以垂直起降能力为目标，同时兼有较高的平飞速度，提出一种复合式双旋翼微型飞行器。与一般的旋翼固定翼复合式飞行器方案不同，本方案中动力完全由旋翼提供，固定翼飞行器平台不提供动力，平飞时的前进动力由旋翼倾斜所产生的分力提供。本文提出的方案具有成本低，技术可实现性好，可控性强等特点。

1 总体方案概述

本文提出的复合式双旋翼微型飞行器布局方案为固定翼和旋翼复合构型，其中固定翼选用中单翼布局，旋翼选用横列式共轴双旋翼布局。机体中部布置固定式机翼，并在左右机翼上各布置一个刚性共轴双旋翼，机身尾部布置尾翼。

机翼是平飞模式下产生升力的主要部件，同时为旋翼提供结构支撑。在机翼的布局上，使重心尽量布置在机体坐标系的中心线X轴上，并且机翼的弦平面通过重心，所以选择了中单翼的布局。在气动方面，总体设计原则是根据总体参数选定的翼载荷、翼面积等参数，结合平飞模式下的性能要求和垂直起降模式下旋翼的干扰情况，来选择翼型和设计展弦比、后掠角等。

尾翼设计时的主要考量是：在垂直起降模式下，尾翼的作用较小；在平飞模式下，尾翼作用原理与常规固定翼飞机相同，即保证飞机的安定性和操纵性，故主要根据平飞模式的飞行需求进行设计，采用水平尾加双垂尾常规布局以提供可操纵性。

与一般的旋翼固定翼复合式飞行器方案不同，本文方案中动力完全由旋翼提供，固定翼飞行器平台不提供推力发动机。在垂直起降飞行时，旋翼提供升力。在巡航飞行时，旋翼桨盘倾斜，其拉力的部分分力作为升力，和机翼产生的升力一起平衡飞行器重力。

两副刚性共轴旋翼分别安装在机翼的翼端，旋翼轴的扭矩通过万向节传递给旋翼，同时可设计相关装置来控制万向节以改变旋翼桨盘平面的倾角。每个旋翼机构都为单发共轴同步对称反转设计，采用一部电机为双桨提供动力。上下旋翼反向旋转，可使上下旋翼产生的滚转及偏航干扰力矩基本上相互抵消。同时左右旋翼的转向也是相反的，它们之间也可以相互抵消反扭矩，从而提高了飞行的稳定性和可靠性。

两个电机在机翼的两端对称安装，由电机控制旋翼转速，改变旋翼转速从而改变飞行器升力。通过两个电机的转速差动控制就可以控制飞行时的滚转力矩，使飞行器形成不同的飞行姿态。电机可以直接驱动，此驱动系统无需复杂的传动装置，有利于稳定航行和产品小型化。

独立尾桨位于水平尾翼中间位置，用以平衡左右旋翼旋转时产生的微小偏航力矩，同时也可为飞行器主动偏航提供力矩。因此垂尾可取消舵面，仅作为提高航向稳定性作用，采用位于尾翼两端的双垂尾方式。

综上所诉，本方案如下几个显著的优点：

（1）两个电机安装在机翼的两侧，分别带动一个微型共轴双旋翼，上下旋翼、左右旋翼的转向相反，这样它们之间可以相互抵消反扭矩。（2）可以垂直起飞和降落，还可以悬停，对起降条件的要求比固定翼微型飞行器低得多。（3）在巡航状态飞行时可以像固定翼微型飞行器一样快速前飞，进而能有更大的使用半径和飞行效率。（4）固定翼飞行器平台无需安装推力发动机，因而结构更加简单，成本更低，过渡转换阶段的控制更加简单，技术可实现性好。

2 结构设计

结构设计的目标为，在一定重量约束条件下满足飞行器强度和刚度指标要求，尽量减轻结构重量。为此，选用质量轻、纤度好和抗拉强度高的碳纤维材料，采用板架式结构方案；电机和螺旋桨直接相连，以减少传动装置；左右旋翼电机的连接采用碳纤维管，以减轻机身重量并保证机械强度。

为便于实验室实现，飞行器的主结构和大部件未考虑气动外形。这里的气动布局主要关注大部件（如机身、旋翼）的相对位置，以便于飞行器获得所要求的操控性、稳定性及飞行性能为目标。

两个旋翼横列布置，桨叶的运动半径布置在主结构之外，减少主结构对气流的扰动，同时考虑碳管的强度和刚度，又不能离主结构太远，采用如图1所示设计方案。

在进行结构设计时，还要进行飞行器的重量计算和重心定位，保证在各种飞行条件下，通过正常的操控，能维持飞行器的平衡。

3 硬件系统设计

飞行器主要由机体和电子设备构成。电子设备包括：飞行控制系统、动力系统、遥控器。

飞行控制系统是飞行器的大脑，控制飞行器的飞行姿态，听从遥控器的指令进行动作。飞行控制系统以采用ARM内核的高性能处理器为运算核心，以MPU6050为姿态传感单元，再加上FLASH存储器、前后级接口等。ARM處理器负责完成传感器数据滤波、四元数解算、姿态数据输出、PID控制等任务。

动力系统包括电池、电子调速器、电机、螺旋桨等。为了减轻重量，飞行器采用锂聚合物电池作为动力。锂聚合物电池具有大电流放电的能力，没有记忆效应，能量密度高，重量轻，是目前比较好的动力电池。电子调速器能够控制电机驱动信号的输出，实现电机转速的可调可控。电子调速器采用PWM方式控制电机的输入电压，该PWM波形信号由主控芯片通过定时器来产生。电机用来驱动旋翼旋转产生动力。本设计采用了简单可靠的无刷直流电机作为动力产生器。无刷电机具有效率高、调速性能好、结构简单等一系列的优点。无刷电机必须与电子调速器协调工作。

遥控器由摇杆、A/D转换芯片、无线传输模块和相应传感器组成，能够将控制指令发送至飞行控制系统，同时接收飞行器反馈回来的状态信息。

4 软件系统设计

飞控系统的核心算法程序运行在ARM内核中，主要完成飞行器的姿态解算以及PID控制等。

飞控系统上电后进行初始化，初始化完成后即进入睡眠状态。每隔2ms被定时器中断唤醒一次。被定时器中断唤醒后，首先进行加速度计和陀螺仪的零偏校准，然后检查是否收到遥控器指令；若收到遥控器指令，则飞控主程序解锁，进入飞控主程序中；否则继续睡眠等待下一次被唤醒。飞控主程序解锁后，首先进行传感器数据的读取，对传感器数据进行卡尔曼滤波、修正等；修正后的MPU6050传感器数据，利用四元数法进行俯仰角（pitch）和横滚角（roll）的解算，利用基于磁力计倾斜补偿的偏航角算法进行偏航角（yaw）的解算；解算出的三个姿态角与设定的值进行作差比较，然后调整电子调速器输出新的PWM波形信号，结束当前控制周期，继续睡眠等待下一次被唤醒。输出的PWM波形驱动无刷电机控制旋翼的转速，进而实现对飞行姿态的调整。

5 飞行试验

根据以上设计方案，制作了原理验证机，并对各飞行状态及转换过渡飞行进行了飞行试验。通过飞行试验，验证了该飞行器既具有优异的垂直起降和悬停性能，又具有较快的飞行速度。该飞行器操控极其简单，甚至可以在室内灵活飞行，如图2所示。

6 结语

本文结合旋翼飞行器和固定翼飞行器的优点，提出一种复合式双旋翼微型飞行器。该飞行器具有优异的垂直起降和悬停性能，飞行速度却比一般旋翼飞行器要快得多。具有结构简单，成本低廉，转换过渡稳定平滑，可控性强，易于实现等优点，对军用、民用小型无人机的设计具有较大的参考借鉴价值。

参考文献

[1]王冠林，武哲.垂直起降无人机总体方案分析及控制策略综合研究[J].飞机设计，2006（3）：25-30.

[2]王焕瑾，高正.高速直升机方案研究[J].飞行力学，2005，23（1）：38-42.

[3]刘凯，叶赋晨.垂直起降飞行器的发展动态和趋势分析[J].航空工程进展，2015，6（2）：127-138.