实用防雨型多旋翼无人机设计＊

徐宏庆，何启瑞，郑潘璇

（正德职业技术学院，江苏 南京 211100）

1 系统设计思想

本次设计的中心思想是完成多旋翼无人机的防雨设计。因此，多旋翼无人机的基本架构没有多大变化，依然采用传统的6旋翼布局。雨天时，常规的多旋翼无人机裸露在外的电机和中心板以及电调、电池以及飞控和接收机、GPS的部件不能进水，需要对上述部位进行防雨设计。设计的中心思想是把上述部位用设计好的防雨罩罩上，而传统的6旋翼无人机电机布局在机臂末端，而且电机上安装了螺旋桨，罩上防雨罩就不能工作，因此设计上借鉴了直升机的尾旋翼设计结构，螺旋桨不直接由电机驱动，通过同轴齿轮和传输皮带与电机连接，通过皮带实现螺旋桨的旋转。这样就把电机的安装位置移至中心板，只要对中心板进行相应处理即可达到预计效果，大大降低了设计的难度。

2 多旋翼无人机的设计

2.1 机体上下底板设计

常规结构的6旋翼无人机机体部分主要安装飞控、GPS、电池、遥控接收机等部件。需把电机和电调等部件安装并固定在底板上。并且由于电机高速旋转，需要给电机加装固定装置，所有机体上下盖板都需要重新进行设计。

本方案设计思想：把电机、电调、飞控、接收机等部件都放置在上下底板之间，上顶板上面主要安装电池、GPS、安装防雨罩。多旋翼无人机上、下底板设计具体如图1所示。

图1 多旋翼无人机上、下底板设计

上底板采用了碳纤维板，复合材料的使用大大减轻了飞机的自重，同时耐用性也大大增强。上底板是直径为110 mm的圆形，中心圆孔的直径为20 mm，用于安装GPS系统与飞控的连接线。多旋翼无人机机臂安装在6个长方形的外突矩形处，具体尺寸是15 mm×40 mm，均等分布。6个矩形的上方各开了2个矩形孔，这是对应的6个电机的卡位固定位置，主要是保证电机能够稳稳固定在上下底板之间正常稳定地工作。

下底板上主要安放电机、电调、飞控、接收机等部件。下底板也采用了碳纤维板材质，与上底板大小一样，底板上的6个梯形开孔在足够强度基础上进行减重，同时也达到较好的散热效果，中心园上安装着飞控，电调和电机均匀地分布在6个机臂之间，也保证了飞机中心的平衡。

2.2 电机底座设计

本设计方案中，电机也在下底板上，考虑到电机传动机构设计，电机选用了卧式放置方式，电机转达轴朝外。本设计选用的电机是朗宇电机，根据电机的具体尺寸设计了电机底座，如图2所示。

图2 电机底座

该底座采用的是碳纤维板，设计尺寸为40 mm×40 mm的正方形，上面4个椭圆形开孔是电机安装孔，上、下两边各有2个突出的矩形，安装时卡在上下底板之间，设计时上下底板已预留相应的空位，保证电机高速、稳定转动。

2.3 机臂组件设计

本方案设计的是6旋翼无人机，机臂采用的是碳管，机臂的长度为197.5 mm，机臂的外径为10 mm，内径为9 mm，具体如图3所示。

图3 多旋翼无人机机臂

将电机移至上下底板的中间，电机与螺旋桨之间需通过齿轮和传送带进行能量传递，需要在机臂顶端安装螺旋桨，因此需要设计1个安装螺旋桨的组件，用于安装螺旋桨并且能够安装在机臂上，具体设计如图4所示。

图4 安装螺旋桨组件

螺旋桨座组采用的是ABS塑料，原型机设计时采用3D打印技术实现，具体尺寸是57 mm×29 mm×29 mm。两侧伸出来的耳朵尺寸为25 mm×10 mm×6 mm，用螺丝将其与机臂夹紧固定。后面空出的位置用来放置螺旋桨传动齿轮。齿轮采用不锈钢，具体尺寸是圆片半径10.5 mm，内齿轮模数0.6，齿数28个，面宽8 mm，标称轴直径5 mm。

2.4 防雨罩设计

防雨罩是本设计的一个重要组成部分，主题思想是把6旋翼无人机的机体部分用防雨罩罩住，从而起到防雨效果，根据上下底板设计的尺寸设计的防雨罩如图5所示。

图5 防雨罩设计

考虑到防雨罩加装在多旋翼无人机上，为尽可能减轻质量，防雨罩采用玻璃钢，具体为半径127 mm的圆形，其上部的圆弧面顶半径为45 mm，该圆弧顶处可安装GPS，防雨罩的底部有1块底板，完全把多旋翼无人机的上下底板罩在防雨罩内部，实现了防雨功能。

2.5 电机传动装置设计

螺旋桨与电机的传动与传统装置不一样，螺旋桨转动轴下方安装了齿轮，电机采取卧式放置，电机的转动轴上也安装了齿轮，两个齿轮之间通过传送带连接，实现电机带动旋桨转动，传送带放置在机臂碳管内，如图6所示。

图6 电机传送装置

以上是本次设计的主体零部件部分，飞机的整体安装如图7所示。经过测试，能够满足常规教学要求，也实现了防雨要求。

图7 多旋翼飞机整机

3 结论

本设计根据实际，结合综合因素，充分考虑了设计需求，实现了多旋翼无人机防雨功能，并已经应用到了实际教学中，效果良好。后期需要进一步细化，注意细节的处理，确保无人机飞行的安全性、稳定性，可以在此基础上增加一些功能，比如在该无人机底部增加机械爪，实现多旋翼无人机抓取任务，可以作为比赛训练机使用。