小型旋翼无人机飞行性能优化设计

任帅　巩子瑜　刘兆鹏　史思杨

摘 要：针对市面上小型四旋翼单次续航时间不足、工作效率低，成本太高等缺点，设计和实现一款长航时四旋翼无人机，可搭载1～3公斤的工作平台，可折叠，运输方便，可进行高机动飞行动作，能适应多种不同场地的工作任务，搭配的高效率动力系统能实现单次飞行时间不低于60分钟，可解决市面上多数旋翼机续航时间不足的问题。四旋翼无人机的动力系统的选择会直接影响到最后续航时间的长短，本设计的重点针对不同的动力系统进行选择和测试，通过对动力系统各部件参数建立数学模型，得出适合长航时无人机的动力搭配，再通过地面测试台进行对比分析验证，给出最优的动力系统搭配。运用CATIA、CAD、ANSYS等设计分析软件，完成对四旋翼无人机的结构设计。

关键词：四旋翼无人机;飞行性能;续航时间;动力系统;优化设计

1 引言

随着科技的发展进步，无人机的行业应用越来越受到人们的关注，特别针对小型四旋翼无人机，其凭借经济性，便携性，可垂直起降，安全性和可靠性而被广泛的运用在人们的生活之中[1-2]。目前市场上做消费级及工业级无人机很有竞争力的公司大疆创新在四旋翼无人机的续航方面做了很多改进，但仍有可进一步优化的空间[3]。

本文采用更轻质的复合材料，根据电机螺旋桨与动力系统的搭配情况择优设计，综合考虑电池的重量，效率和壽命，并对电池进行重新设计组装，以搭配设计好的动力系统。选择最合适的无刷电机符合飞行任务的动力系统，优化电子调速器，以求动力系统达到最优化的预期效果。

2 旋翼无人机设计

2.1旋翼动力系统设计

用Itcch8816系列电子负载对锂离子电池进行放电实验测试[4]。根据优化得出的动力系统和锂离子电池放电时间的计算模型，最后求出该四旋翼无人机设计的航时目标不低于60分钟， 电池所需的最小容量 =175000mAh，选用单个索尼18650电池的容量为3000mAh，则至少需要该18650电池的个数为N=59。

通过电机测试台得到的一系列数据表明MAD 5008 170kv电机具有很好的长航时特性，良好的散热性能，很高的转化效率。为了和其他电机进行对比分析，我们将它与其它电机进行了地面测试，作出了电机力效对比图。如图1所示。并为此电机选择搭配22寸螺旋桨，XRotor micro 35A BLHeli电调。

为了更好的连接整个动力系统，本文将60块18650锂电池分成6组，每组10块，每组的10块并联，然后分成的6组串联起来，这样便可以形成一块6s电池，以满足电机所需的输入电压。电池首先与电调串联，然后再与电机串联。

2.2 旋翼结构设计

设计中心板及飞控隔板，为减轻结构重量，进行镂空处理。中心板上下盖板之间用40mm的7075铝柱进行连接，如图2所示。

四旋翼无人机的轴距为1188mm，机臂长度为500mm。电池盒最后将装在中心板的中间，通过飞控隔板支撑。

3结构仿真分析

为了验证四旋翼无人机的机臂是否满足强度要求，本文对机臂建立静力学模型，通过ANSYS分析软件对整个机臂结构受力进行验证，确保无人机在飞行工作过程中的安全与稳定。导入机臂模型。

导入后进行网格划分，然后对机臂模型施加约束，最后施加作用力，即可进行结构的静力学分析。如图3是ANSYS对该机臂的静力学分析结果，可以看出力大小的分布，从外形来看，机臂有弯曲的趋势，弯曲形变不明显，在靠近两根碳杆的地方力最小，形变量最小，从而可以推断机臂传递给机身中心板的力矩很小，不会对整个机身产生大的形变量，从而确保了整架飞机在飞行过程中的稳定性。

4  无人机制作

中心板由碳纤维复合材料制作，其中与机臂连接处的铝柱区别于其他铝柱的地方在于中间开了圆孔，便于碳杆固定。图4是上下盖板合上后形成的机身盒式结构。

要使电机安装在机臂上，需要设计一个电机座，使电机先固定在电机座上，然后再将电机座与机臂固定，在电机座的选材上，本文采用3D打印技术制作电机座。

动力系统与机身结构的组装主要包括电池的安装，电机与电调的安装，电调与电池的安装。其中电池是安装在一个电池盒中，电池盒安装在机身中心板的中间，电池盒的底部会伸出两个插口，对应中心板下盖板上的两个插口，四个电机与电调串联起来，一一对应，最后四根电调延伸出来的延长线将分成两组，分别焊接在两个下盖板的插口上，当电池盒安装进机身中心板后，便实现了电池与电调的接通，从而对整个动力系统进行供电。

本文设计的无人机起落架是一个上端开孔，下端支撑的结构，开孔的目的在于方便与机臂套接在一起，下端主要起支撑作用，使无人机在降落或者停在路面上时，让中心板下盖板和电机远离地面，防止刮擦损伤。起落架选择的制作工艺是3D打印，这样既可以保证结构强度，也能减轻结构重量。

5 结论

本文从提高无人机续航时间的角度出发，分析国内外旋翼机续航现状，针对无人机的动力系统建立相应的数学计算模型，根据所要达到的参数指标，求解出相应的参数值，然后选择最优的搭配方案，对动力系统进行地面测试，测出效率最高点对应的电流电压值，根据电流电压值进一步优化动力系统搭配方案，确认动力系统的选择后针对各个动力系统的部件以及无人机飞行过程中的受力状况，设计优化无人机的机身结构，以达到结构具有足够的强度，同时质量很轻的要求。在最终的试飞过程中，整架飞机单次续航时间超过60min，实现了最初的长航时要求，同时降低了制作成本和维护成本，达到了课题研究目的，为小型四旋翼无人机的发展提供了一些数据支持。

参考文献：

[1]张红岗.多旋翼无人机的应用[J].农电管理，2018（08）：43.

[2]李博，李小民，杨森.美国四旋翼无人机研究现状与关键技术[J].飞航导弹，2018（02）：25-30.

[3]聂博文，马宏绪，王剑，王建文.微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术[J].电光与控制，2007（06）：113-117.

[4]钟良涛，黄琦梦，代杰.多旋翼无人机用锂电池组电源管理系统设计[J].电源世界，2019（01）：28-30.

本项目由研究生科技创新基金资助 项目号：2017012091.