一种野外救援光伏无人机设计

王春旭 秦燕 卿晓梅 李清

摘 要：本文设计了一种基于光伏发电技术的野外救援无人机，主要从供电、控制、结构三个方面进行设计。整体采用飞翼布局，并在机翼后掠上表面铺设半柔性单晶太阳能电池板。机舱带有两块锂电池。在飞行过程中，太阳能电池板轮流给锂电池充电，锂电池轮流给设备供电。这种野外救援光伏无人机具有体积小、续航时间长、飞行灵活、携带方便等优点，具有良好的实用价值。

关键词：光伏无人机;续航时间;飞翼布局;锂电池

Abstract： This paper designed a field rescue UAV based on photovoltaic power generation technology， mainly from three aspects of power supply， control and structure. The overall layout is flying wing， and semi flexible single crystal solar panels are laid on the swept upper surface of the wing. There are two lithium batteries in the cabin. During the flight， solar panels charge lithium batteries in turning， and lithium batteries power equipment in turn. This kind of photovoltaic UAV for field rescue has the advantages of small volume， long endurance， flexible flight， easy to carry， and has good practical value.

Keywords： photovoltaic UAV; endurance; flying wing layout; lithium battery

当前，越来越多的年轻人喜欢户外运动，但同时，户外遇难人数也逐年升高，给救援工作带来了极大压力。而使用无人机参与人工救援，会大大提升搜救效率。无人机巡查效率高，巡查面积大，能为受伤人员争取宝贵时间[1]。但是，由于户外运动多在偏远山区，电力紧缺，供电不便，因此无人机充电成为一大难题，并且大面积山区需要无人机长时间巡航，一般小型无人机没有如此长的续航能力。基于此，本文设计了一款野外救援光伏无人机。该无人机具有续航时间长、工作稳定、飞行平稳、造价低廉、方便携带等特点，同时可以随时使用太阳能充电。

1 设计方案

1.1 总体设计

野外救援光伏无人机机体采用飞翼式布局，单位面积载重相较于普通无人机更大，飞行效率更高，机体可搭载太阳能电池板的面积比例也更大。机翼机身直接固定，减少需要的连接件，整体更加牢固，同时还减轻了重量，保留了各种电子设备的安装拆卸空间和安装孔，为以后电子器件的维修和替换提供便利。飞机前后拥有两个设备舱，增减无人机设备时，方便调整无人机的重心。机翼后翼面搭载太阳能电池板，避免无人机降落过程中损坏太阳能电池板。总体设计如图1所示，分为供电设计、控制设计、结构设计三部分。

1.2 供电设计

供电设计主要由两部分组成，分别是锂电池供电与太阳能电池板充电。锂电池是飞机起飞或紧急情况下的主要动力来源，起飞后巡航时的补充能源，降落后太阳能电池板的储能装置。本设计采用10 000 mA·h锂聚合物电池，放电倍率15C，标准电压14.8 V，最大电压16.8 V，安全持续放电电流10 A左右[2-3]。光伏发电系统主要由2块50 W和2块20 W半柔性太阳能电池板并联组成[4]，共140 W。

供电系统原理如图2所示。电源部分由2块锂电池和4块太阳能电池板组成，当1号锂电池给无人机动力系统供电时，2号锂电池接受太阳能电池板产生的电能，当正在给电机供电的锂电池低于安全使用电压14.8 V时，飞控发出信号给电子继电器，电子继电器让动力系统接通2号锂电池并在30 s后断开1号锂电池，1号锂电池瞬间接通太阳能电池板充电线路，太阳能电池板给1号锂电池充电。如此重复，直到两节锂电池电压都低于14.8 V，操作人员选择合适地点降落。

1.3 控制设计

无线电接收端是飞机接收操纵者发出的信号装置，选用2.4G传输。该无人机采用F405 WING飞控，该飞控高度集成气压计、电压电流计、陀螺仪、加速度计、（On Screen Display）模块、降压模块等，具有体积小、重量轻、安全可靠的特点。

该无人机IMU（Inertial Measurement Unit，惯性传感器）选用MPU6000，气压计选用BMP280，GPS选用NEO-M8N，OSD选用INAV OSD w。除此之外，还有电压计、电流计、电子调速器、舵机、信号转换器、电子继电器等。

电机是飛机的动力来源，本设计选用无刷电机，根据飞机尺寸和推力需求，选择了外转子型号4820电机。该电机KV值650，适用电压11～26 V，在电压14.8 V时为13 616 r/min，适用43.3 cm桨，在电压18 V时为16 560 r/min，适用46.6 cm桨[5]。无人机巡航大约需要50%油门，供电电压在14～18 V，考虑到桨效等问题，本设计采用46.6 cm桨。

运动相机是飞机的“眼睛”，选择运动相机对目标物或人进行监视观察，另外，配置高清晰度的长焦镜头。在图传发射端，无线图传选用TS353-400mW发射端，频段为5.8 GHz，满足一般飞行无线传输需要，在实际运用中，还可以根据搜索距离更换更大功率的图传。

数传采用无人机专业数传，用于实时检测和调整无人机电子设备参数。

机腹带有电子投放器，可飞至受困人员上方投放小型GPS定位仪，救援队根据接收的GPS信号快速抵达救援地点。

除此以外，还有地面站部分，包括2.4 G遥控、5.8 G的图形接收终端以及显示屏。

1.4 结构设计

机头部分如图3所示。飞机前舱长50 cm，宽15 cm，而机舱田上方的EPP板构成。EPP板具有可弯折、易加工、受力形变可复原、坚韧不易断裂等优点。前方成半圆形，防止降落受力集中于一点，造成损坏，同时减少风阻[6]。

飞机前舱下底面采用两层木板夹泡沫板的结构，如图4所示。上木板为竹编板，韧性强，耐弯折，中间为泡沫板，吸收冲击力，下木板为胶合板，硬度高，中间用泡沫胶黏合，下底板采用长110 cm、宽15 cm、厚5 mm的复合木板。飞机正常着陆时，一般是减震泡沫先着地，起到快速停止的作用，减轻内部电子设备所受的冲击力，保护机头，防止受力形变。木板上表面与左右两机翼黏结处下表面胶合固定，且机翼下表面嵌入4根碳纤维管加固，碳纤维管通过工程塑料管夹直接固定在下木板上。重要电子设备如飞控、图传设备以及大部分传感器都位于机腹部上方，两机翼梁附近，受到重重保护，受到的冲击力很小。机尾部电机直接固定于复合板上，与机体连接更牢固。机头正前方有边长为1.5 cm的正方形孔洞，内嵌圆形镜头运动相机，镜头视角140°，2.8 mm镜头分辨率700 TVL，可以满足飞行需求。如果要求对目标进行更细致的观察监视，还需要配置长焦高清晰度镜头。机舱外另有网格状纤维胶带固定，提高了机械强度。

机后舱在飞机中后部，也在飞机重心后，这部分机舱便于和无人机电机线、延长线相连，方便以后无人机电机的替换，同时选择性搭载铁块，起着配平无人机重心的作用。机后舱安全性最高，因此可装载重要的电子设备。

飞机前舱为主机舱，拥有7 500 cm3 的容量，可搭载大部分常用设备，机后舱具有1 000 cm3的容量，为副机舱，可选择性搭载贵重设备和配重。

该无人机设计初衷为实现低速稳定、易操控。由于机翼还要搭载太阳能电池板，因此机翼面积要大、重量要轻、功耗要小、效率要高。为了实现该目标，这里选用前缘带有后掠角的梯形翼形，以减少飞行阻力。机翼的横截面轮廓（翼型）选用平凸翼型。该翼型上翼面平缓，性能优异，可以大面积搭载太阳能电池板，飞行平稳。机翼翼根弦长65 cm，翼肋如图5所示，翼尖弦长58 cm，翼肋如图6所示，前缘后掠角22.5°，翼展长170 cm，面积10 540 cm2（不含副翼），重心距顶点24.51 cm。副翼为近似平行四边形，考虑到飞机的使用途径，选择中等面积的副翼，约为机翼的8%，面积为830 cm2。为保证在一定灵活性的情况下使操纵更简单，副翼可通过舵角、拉杆与舵机相连，将左右两半机翼拼接成为完整机翼。考虑到侧风天气时的稳定性的问题，该无人机机翼装有3°的上反角，在飞行出现侧滑时，使飞机产生反向侧滑力，以迅速修正侧滑。翼尖的翼梢小翼可以保持飞机航行平衡，保证转弯在无侧滑状态下进行，在有侧风着陆时保持机头的方向。

2 理论设计计算

无人机飞行参数计算：一般巡航高度为100 m，速度为11 m/s，机翼弦长0.65 m，运动黏度为14.8×10-6 m2/s，根据公式（1）计算雷诺系数：

光伏供电系统共有4块半柔性太阳能电池板并联，每块电压均为18 V。根据太阳能电池板参数可得稳定输出电流为：[IP=2.27 A×2+1.11 A×2=7.76 A]。考虑到生产工艺、实际天气、电池虚标等问题，经测试，白天正常功率应为计算功率的68%～80%，即95～112 W，这里以最低95 W计算。

根据前面无人机设计要求，采用UG建模得出其三维模型，如图7所示，并将模型导入ANSYS，分析其设计合理性及该无人机各项参数。

以装载两块5 000 mA·h锂电池共10 000 mA·h容量的无人机为例，无人机的巡航速度为40 km/h，额外搭载1 kg电子设备，无人机总质量[M]=5.2 kg，雷诺数[Re]=483 108，机翼面积[S]=1.054 m2，迎角为1°时，飞机升力系数[CL=0.72]，飞机阻力系数[CD=0.1]。

本产品在现有无人机研发的基础上，放弃常规固定翼布局，采用更高飞行效率的飞翼布局，在同体积下提高30%～50%载重能力。该无人机拥有更好的气动特性，采用后掠翼，减小风阻，提高巡航速度，选用两种翼型组成混合翼，提高2°的失速临界迎角。与普通机翼相比，该特制机翼上表面可搭载更多半柔性单晶太阳能电池板，达到机翼面积的69%。太阳能电池板给两个锂电池轮流充电，锂电池再轮流为无人机供电，这两个过程同时进行，减小了天气对太阳能无人机的制约，是市面无人机续航时间的2～3倍，同时还增加了1.2倍巡航半径，能够更持久、更高效地对失踪人员进行搜救。机翼与机身直接融合，内部有8根高强度碳纤维杆框架，结构强度高，在无动力状态下能够较平稳地滑行和降落。飞机机腹下有电子投放器，当搜索到目标后，操作人员通过遥控器立刻投放GPS到目标地点，供搜救队快速搜救。在人力有限的情况下，利用本产品可以组成更多搜救队去搜救受困伤员，同时减少了搜救成本，因此具有较好的商用推广价值。

参考文献：

[1]王鹏，王子玖，蒋金阳，等.用于农林侦察的太阳能无人机设计[J].科技創新与应用，2019（7）：8-12.

[2]包文豪，戴袁杰.基于太阳能光伏发电技术的无人机设计[J].电力电子，2020（8）：86.

[3]徐建国.小型固定翼太阳能无人机能源系统的关键技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2019：47-53.

[4]朱立宏，孙国瑞，呼文韬，等.太阳能无人机能源系统的关键技术与发展趋势[J].航空学报，2020（3）：85-96.

[5]薛昕惟，黄彦淳，王祎，等.固定翼航模智能飞行控制系统[J].实验技术与管理，2020（5）：111-115.

[6]张旺旺，张利国，杨康，等.不同翼型太阳能无人机的气动特性分析[J].机械制造，2019（11）：39-42.