四旋翼无人机轻量化结构改进设计

钟建卫 钟小华 卢明辉 李志佳 董惠鹏

摘 要：本文以垂直起降载运空投四旋翼无人机机身结构为研究对象，对四旋翼无人机机身结构优化改进。采用碳纤维复合材料，芳纶纤维材料和巴尔沙木材，保证强度有足够冗余的同时对四旋翼无人机机身进行轻量化改进设计。四旋翼无人机轴距是466mm，机架仅重50g，搭配使用10寸的APC螺旋桨，有效载荷可达3kg，可准确高效地在火山、地震和洪水灾区等危险环境中执行勘察、拍摄和运载物品等任务。

关键词：四旋翼无人机；轻量化结构；复合材料

中图分类号：V279 文献标志码：A

0 引言

近几年，多旋翼无人机迅速发展，尤其是四旋翼无人机，以其操作简单、机动灵活、易于起降等优点迅速占领无人机市场。然而市面上的四旋翼无人机续航时间普遍较短，载重量小等缺点致使无人机不能很好地完成任务。柴永生等设计了以倾侧旋翼来转换方向的一种新型四轴飞行器，实现四轴无人机的垂直起降，并通过旋转旋翼提供前进的动力，然而机身的重量达到了5kg，载重能力还是有限，最大仅能携带1.67kg的重物，不利于执行任务救援、投放物资等任务。大疆创新科技有限公司的产品MG-1最大载重量可达10kg，但对称电机轴距1500mm，导致整机在执行任务时不能通过一些狭窄的地段，同时飞行快速反应慢。本文设计一种轻量化、有效载荷大的四旋翼无人机，同时保证无人机有足够冗余的强度。

1 四旋翼无人机设计

四旋翼无人机主要由上下两部分组成：正X型机架、舱体。正X型机架负责飞行，舱体负责运输或搭载物品设备。如图1整体结构示意图所示，正X形机架包括两根互相交叉的碳纤维方管、改进后使用T300-3000碳纤维板材料的中心座以及两种不同高度的电机座装配体，舱体由多根T300-3000碳纤维方管以及巴尔沙层板组成，脚架集成在舱体下部，结构采用篮子四脚式，舱体外围由极细的芳纶纤维复合材料包覆使舱体一体化。

1.1 四旋翼无人机飞行机架设计

四旋翼无人机机架布局采用正X形机架，相比HX形机架以及异形机架，正X形机架更加灵活、简便，也更加容易操纵，重量上也相对较轻。四旋翼无人机机架以碳纤维复合材料和巴尔沙木材为主材料，选用两根外径4mm×4mm，内径3mm×3mm的碳纤维方管交叉形成正X机架，电机座部分和中心座选用1mm厚T300-3000碳纤维板由立式铣床加工减少手工误差。大电机座长宽高尺寸为34mm×34mm×26mm，小电机座的长宽高尺寸为34mm×34mm×16mm，利用电机座间的高度差以弥补碳纤维方管交叉所形成的高度差，改进前的电机座仅使用輕木层板材料，但试验过程中屡次损坏，对电机座改进优化，重要受力部件更换T300-3000碳纤维板，并对改进后的电机座做受力分析。同时，碳纤维圆管只能约束电机座的4个自由度，绕碳纤维圆管旋转的自由度难以控制，使用碳纤维方管代替碳纤维圆管，电机座配合的位置也改成方孔减少旋转轴的误差，碳纤维方管较碳纤维圆管更适用于结构方面，承载能力强，搭建结构和搬运方便。固定电机的部位以及与碳纤维方管连接的部位选用1mm厚T300-3000碳纤维板进行加工，电机座的具体结构示意图如图2所示。

1.2 四旋翼无人机一体式舱体设计（图3）

舱体采用下挂式与四旋翼无人机机架连接，下挂式使四旋翼无人机整体中心下移，增加执行飞行任务的自身稳定性。框架式的舱体使得在载重上允许使用更小的碳纤维圆管，货仓的主体框架选用外圆直径4mm，内圆直径3mm的碳纤维圆管，碳纤维管连接部分选用2mm巴尔沙层板木材。

2 四旋翼无人机性能试验

对改进后的四旋翼无人机进行3个方面试验：续航时效、载重能力及主要受力电机座强度性能。

（1）使用22.2Wah的电池进行试验，四旋翼无人机在无负重载荷的情况下，试验结果见表1。

表1 续航时间对比

机型 电池容量（Wah） 续航时间（min）

四旋翼无人机 22.2 20

DJI Phantom 4 PRO 89.2 30

自组DIY四旋翼无人机 22.2 5

从表1可以得出，本文设计的四旋翼无人机使用22.2Wah的电池，续航能达到20分钟，而大多数自组DIY的四旋翼无人机同样使用22.2Wah的电池，续航时间仅有5分钟，大疆创新科技有限公司产品Phantom 4 PRO使用89.2Wah的电池，续航时间30分钟左右，本文四旋翼无人机续航时间较自组DIY四旋翼无人机相对增加了300%，比Phantom 4 PRO的续航时间增加了167.9%，本文设计的四旋翼无人机续航时间得到有效提升。

（2）四旋翼无人机机身整体重量仅50g，相比大疆创新科技有限公司的产品风火轮机架，重量同比减少466%，总运载能力增加20%，使用22.2Wah的电池，有效载荷能达到3kg。

（3）模拟电机座在执行任务时的受力状况，使方孔完全约束，对4个圆孔施加均布载荷11.5N向上的拉力，使用SolidWorks Simulation做静应力分析，结果如图4所示。

从图4可以得出，4个圆孔是受力最大的地方，静应力大约为5.0×107N/m2，T300-3000碳纤维材料的屈服强度为9.3×108N/m2，因此，改进后的电机座有足够的强度和稳定性。

结语

改进后的四旋翼无人机在手工制作上减少了更多的误差，将误差控制在允许无人机制造范围内。四旋翼无人机在结构上优化至极致，使得四旋翼无人机改进后没有冗余结构，在性能上有了进一步提升，运载能力得到有效的提升。四旋翼无人机大量采用复合材料，增加了四旋翼无人机整体强度，使得无人机在长时间飞行中可以更加高强度的执行任务。

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