垂直起降运载无人机的设计制作与优化

彭伟程 张兵

【摘 要】目前，民用无人机主要为旋翼式和固定翼式两种，且各有优劣。本文针对起降条件差，飞行环境复杂多变的情况设计了一种固定翼式垂直起降无人机。弥补了固定翼飞机起降距离过长，且对路面质量要求较高;旋翼机续航时间较短，无法进行长时间飞行，且飞行速度较慢等问题，并通过双桨差速有效提升了飞机的机动性，安装飞行控制器提升了飞机飞行的稳定性，并实现了模块化制作组装。最后，总体结构和主要零部件进行了二维设计和三维建模，实现了无纸化设计和虚拟仿真。

【关键词】垂直起降;双桨差速;飞行控制器;模块化制作组装

中图分类号： V423 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）07-0027-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.011

0 引言

无人机（缩写为UAV）又称“空中机器人”，是一种动力驱动、机上无人驾驶、可重复使用的航空器。大体上是由无人机载体、地面站设备（无线电控制、任务控制、发射回收等起降装置）以及有效负荷三部分组成的。根据无人机的结构、飞行时间、飞行距离、或执行任务的性质等特点我们可以把它划分为不同种类。从总体结构来看，无人机有固定翼、垂直旋翼、倾斜旋翼之分;根据活动半径和续航时间，无人机可大体分为近程、短程、中程和远程四类;根据用途，我们又可以把无人机分为军用和民用两大类。无人机是1917年由英国首先研制成功的。虽然它问世已久，但直到这世纪五十年代才得到真正的发展。近年来，我国无人机更是发展迅速，军用无人机代表有彩虹-5、翼龙-2、翔龙无人机和天鹰无人机等。民用上更是厉害，我国大疆占据全球民用小型无人机约70%的市场份额。如今正是无人机发展的最迅速的时候，国家也在政策上鼓励支持，无人机的设计制造近年来逐渐火热。

目前市面上的民用无人机主要分为旋翼机和固定翼式飞机两种，两种飞机各有优缺点。旋翼机的优点有：（1）可垂直起降，不需要弹射器，可悬停、侧飞、倒飞。（2）飞行高度低，执行特种任务能力强。（3）结构简单，控制灵活，成本低，且易于维护。（4）体积轻，重量轻，噪音小。但续航时间较短，无法进行长时间飞行，且飞行速度较慢。固定翼式飞机优点有：（1）续航时间长，航程长，经济性好。（2）运载能力强，可同时搭载多载荷。（3）飞行速度快，飞行机动性好。但起降距离过长，且对路面质量要求较高。

如今随着社会的发展，无人机广泛应用于航拍测绘、电力巡线、地质勘测、城市应急监视、快速运输等领域。在工作过程中，往往会遇到起降条件较差，工作环境复杂多变的情况，单纯的旋翼机或固定翼式飞机已经不能很好地完成工作任务。迫切需要一款综合性强，能适应多种环境的新型无人机。

1 功能分析

为了更好地满足市场需求，该垂直起降无人机具备以下特点和优势：

（1）将旋翼机与固定翼机有机结合，起降采用旋翼机垂直起降方式，缩短了起降距离，降低了对起降条件的需求;在飞行时采用固定翼式平飞，飞行速度较旋翼机大大提高，且降低了飞行能耗，延长了续航时间和里程。

（2）运载与投放装置可模块化拆卸：运载与投放装置可从机身上拆卸下来，进行搭载其他的机载设备，从而使飞机具备多功能使用的能力

（3）平飞采用差速转向，显著减小转弯半径，提高了机动性，降低转向时的空气阻力

（4）搭载飞行控制器，可辅助调节副翼偏向，提高操控的稳定性，降低操控难度，

（5）各部件固联采用自行设计连接木块，减少了胶水的使用，降低了机身重量，简化了制作流程，便于后期保养与维修。

2 机体结构设计

2.1 主体机身

如图2-a所示，该无人机采用双凸对称翼a-1，较低的翼型相对厚度。纵向骨架采用碳纤维与方桐木a-12结合，方桐木用于安装时定位，在进行蒙皮时提供着着力点。碳纤维a-11用于增加强度，保证机翼主体结构保持稳固。

2.2 转向舵面

转向舵面5主体材料采用巴尔沙木，表面进行蒙皮处理。舵面与机身采用纤维胶带双向铰接，转向舵响应速度加快。

2.3 运载与投放装置

运载装置由运载环3与弹性碳纤维杆9组合而成，杆件连接相邻木圈，固定于底座，着陆时发生弹性形变，减小冲击对机体结构的破坏

投放机构由舵机7及碳纤维杆8组成。舵机行程为0～90°，碳纤维杆固定于舵机摇臂，当舵机旋转90°时，该杆沿运载木圈的径向方向，封闭货舱;投放时舵机角度归零，打开货舱投放。

3 三维模型的建立

3.1 部分零部件

3.2 各个机体部件（包含装配图）

（1）机翼

机翼采取曲面，空气动力性能好1）机翼：机翼面积大，所受升力大;采用流线型，空气动力性能好，阻力小，提高速度和航程。

（2）电机固定座

电机固定座：制作木机，，但电机安装已不能用常规方法。本方案电机固定座采取与机翼结合的方法，安全稳定。

（3）运载与投放装置

投放装置：在两边设置两个对称投放环，一，保持重心在中间位置，不会造成飞行和投放过程失稳。二，运载量大，效率高。投放灵巧，底部由舵机固联挡杆，到达指定位置后，旋转舵机，由此使小球投放，快速精确。三维建模示意图如图所示

（4）起降支撑支架

机型由多碳棒支撑，使用等大立方体小木块，将木棒固定连接起来，提高碳棒间的联系，受力更加均匀，大大地吸收降落时的冲击载荷，保护整体机身。

4 飞行控制原理

（1）螺旋桨的差速偏航控制：该无人机采用双螺旋桨提供动力，在平飞状态下通过遥控器混控让两支螺旋桨拥有一定的速度差，使得两侧流经的气流速度不一样，从而让机身在水平方向进行偏转，进而减小了转弯半径，提高了机动性能。

（2）垂直与平飞姿态之间的互相转换：在垂直飞行的状态下，通过操纵舵机控制副翼偏转一定的角度，使得流经的空气朝一方偏移，推动飞机机身进行翻转运动。由于使用飞控进行辅助控制，能在飛机受到外界气流干扰时自动调节舵面转向来调节飞机姿态，从而使得本机在垂直与水平姿态及其相互转换时都能保持稳定，降低了对操作人员的技术要求，同时也避免了可能因转换引发的意外。

5 结语

本项目据市场需求进行改进现有市面上的无人机，制作出了现在的垂直起降无人机，实用性更高，适用范围更广，采用不同种机型进行优化改良，利用三维建模技术验证理论可行性，再实际制作进行下一步的调整，满足了市面上一些对于此方面无人机的需求。

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