推力矢量垂直起降无人机的设计、控制与验证＊

王志伟，赵思诺，高坚

推力矢量垂直起降无人机的设计、控制与验证＊

王志伟，赵思诺，高坚

（中国计量大学 机电工程学院，浙江 杭州 310002）

目前，无人机在石油管道巡检、电力巡查、精准农业、消防火情监测等领域广泛应用。基于推力矢量结构的垂直起降无人机可以提高工作效率，节省能源。在垂直起降的基础上优化动力结构，用推力矢量装置代替传统的副翼来改变飞行器的姿态，从而提高飞行器的灵活性与稳定性，有效增加飞行器续航时间，并对飞行器性能进行测试与验证。

垂直起降；推力矢量；无人机；XFLR5仿真

垂直起降（VTOL）飞行器主要指固定翼飞行器可以不用借助跑道而在原地就能垂直起飞和垂直降落，可以不用机场跑道即可进行工作。结合多旋翼与固定翼飞行器设计思想，利用飞行器电机差速来控制飞行器的偏航姿态，利用矢量控制技术来控制飞行器俯仰及横滚姿态。笔者们设计出推力矢量控制器来控制飞行器，即利用电机转动不同的角度使自身产生的推力方向发生改变，产生滚转力矩和俯仰力矩，从而控制飞行的姿态，由于推力直接作用于飞行器，使得飞行器姿态改变更灵活更迅速，也可更稳定地悬停与平飞。

1 垂直起降无人机模型设计

1.1 翼型分析

利用XFLR5进行不同翼型的动力曲线分析，如图1所示，对不同翼形的升阻比、升力特性、阻力特性曲线等进行分析。

图1 利用XFLR5进行不同翼型的动力曲线分析

图1中，①为升力系数随阻力系数变化曲线，②为升力系数随迎角大小变化曲线，③为升力系数随水平倾转角度大小变化曲线，⑤为力矩系数随迎角大小变化曲线，⑥为升阻比值随迎角大小变化曲线。

选取了ara-6%、brogginni-55509、cj-3406三种翼型进行分析对比。brogginni-55509、cj-3406为比较特殊的s型翼型。s型翼型作为一种静稳定型翼型，比较适应此类整体静不稳定飞行器，可以缓解飞控的工作压力。

在翼型分析中发现，在低速紊流较多的情况下（雷诺数偏大），作为s型翼型的cj-3406可以提供与ara-6%几乎相等的升力，由于s型翼本身具有静稳定的特性，其更适合推力矢量无副翼小型飞行器。而brogginni-55509翼型虽然其在特定迎角下（一般为6～7°）的升阻比较高，但在较大迎角范围的积分值远远小于cj-3406，即它不能满足在迎角变化较大情况下的飞行。

1.2 布局特性分析与优化

垂直起降无人机整体布局仿真分析如图2所示。垂直起降无人翼尖机涡流仿真分析如图3所示。

图2 垂直起降无人机整体布局仿真分析图

图3 垂直起降无人翼尖机涡流仿真分析图

由图2气动分析可得鸭式布局+边条设计+梯形双垂尾优势如下。

鸭式布局+边条设计：天然的大迎角恢复能力，通过机翼边条引导涡流到主机翼，改善机翼在大迎角时的气动特性，增强飞机的稳定性。

梯形双垂尾：增强飞行器的横向稳定性，在大迎角下延缓气流分离，防止翼尖失速。

不同展弦比下升阻比分析：影响升力的另外几个重要因素是展弦比和翼面积的取值。人为地把翼面积与一段常用飞行迎角的升阻比做乘积，经过几组数据的比较，得出此机翼在8 m/s的速度（这里是指平飞速度）下，3.84的展弦比能够提供较大效率。

2 无人机控制系统软件设计

二轴PID算法设计中，主要用PID算法对飞行器稳态性能进行控制，算法流程如图4所示。

图4 算法流程图

3 总体实物图

总体设计如图5所示，无人机载球投放测试如图6所示。硬件选型如下。

碳纤维高效率螺旋桨：Tarot 1555尖翼高效碳纤多轴正反桨/多旋翼飞行器/螺旋桨TL2813。

电机：朗宇盘式高效率无刷电机SUNNYSKYV4006。

电子调速器：好盈无刷电调40 A。

锂电池：格式TANTU 1 000 mAh。

图5 总体设计图

图6 无人机载球投放测试

4 垂直起降固定翼无人机飞行验证

无人机进行现场实验数据，装载7个球共1.5 kg的情况下，室内绕行一周30 m，用时10 s，直线载球平飞时，平均速度5 m/s。飞行器整体稳定性良好，将球投入直径为80 cm的球筐时，命中率86.8%。定位精度误差控制在10%以内，稳定悬停时航向角漂移误差在5%以内，俯仰角偏移误差15%以内，续航时间达20 min。

实验结果表明，搭载推力矢量二轴动力系统的垂直起降无人机电机较少，可以有效节约能源，续航时间明显增强。采用鸭翼+边条+梯形双垂尾新式布局，稳定性良好，灵活性较高，可以有效提高飞机升力，增加载重量的同时节省电源。

［1］匡敏驰，朱纪洪，吴德.推力矢量无人机尾坐式垂直起降控制［J］.控制理论与应用，2016，32（11）：2-6.

［2］汤伟，黄勇.推力矢量对飞机大迎角气动性能的影响［J］.航空学报，2018，39（4）：88-94.

［3］叶振环，袁刚，袁德永.一种固定翼垂直起降飞行器的设计与制作［J］.科技创新与应用，2017（21）：99-100.

［4］朱自强，陈迎春，王晓璐，吴宗成.现代飞机的空气动力设计［M］.北京：国防工业出版社，2011.

［5］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）：127-138，159.

TP29

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.22.015

2095－6835（2020）22－0039－02

王志伟（1999—），男，中国计量大学本科，自动化专业。

＊国家级大学生创新创业计划项目（编号：201910356004）

〔编辑：王霞〕