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三旋翼垂直起降固定翼空中机器人
来源:Admin  发布时间:2015-10-13  点击量 3064 次

近几年,随着无人机市场的井喷式发展,无人机被越来越多的普通人所接受,特别是以大疆创新、零度智控等公司推出四旋翼消费级无人机,将航拍推向了普通大众。然而,无人机更广泛的市场还在于边境巡逻、森林灭火、电路巡线、管道巡线、遥感测绘等方面;目前市场上流行的多旋翼无人机具备垂直起降、悬停的功能,使用不受地形的限制,但由于旋翼机巡航功率大、气动效率低,使得旋翼机的续航性能、最大平飞速度都受到了很大限制,也大大的限制了旋翼机在上述领域中的应用。一直以来,各国都在积极研发既能够不受地形限制,又具备高巡航效率的飞行器,倾转旋翼是其中一种解决方案。倾转旋翼无人机的主要特点是起飞着陆时采用旋翼起飞的原理,降低对起降场地的要求,升空后,旋翼倾转提供无人机前进的拉力,无人机产生水平速度并最终以固定翼的方式飞行,使倾转旋翼同时具备了直升机与固定翼无人机的优点。

目前项目组经过前期的研发工作,设计了如下三旋翼垂直起降固定翼空中机器人的方案(如图 1~图 2所示),采用下单平直翼、V尾布局,机翼半翼展中段安装两台拉桨电机,尾撑杆下侧竖直安装了推桨电机,其中机翼上两台拉桨电机可绕翼展方向铅垂方向与水平方向之间倾转,尾部推桨电机可绕机身轴线小范围内旋转。

垂直起飞时,机翼上两台拉桨电机旋转至竖直状态,电机启动,尾部电机一方面通过反馈控制电机输出功率,将升力的作用点后移至全机重心,确保无人机平稳起飞,另一方面,尾部电机绕机身轴线倾转一定角度,产生一个客户电机反扭矩的力,使得垂起过程中机身航向不变。起飞至所需高度后,机翼上两套电机同步向前偏转,偏转速率与无人机已有的水平速度保持协调,确保倾转过程中水平运动所产生的气动升力能够弥补电机倾转时直接力升力的减少,避免无人机高度损失;在此过程中,尾部电机一直发挥一个调节合力作用点与平衡偏航力矩的作用。达到一定水平速度后,尾部电机停止工作,无人机按照固定翼模式飞行。

降落时,无人机减速飞向着陆点附近,由于速度损失造成升力的不足可由旋翼的倾转提供直接力来弥补,直至无人机水平速度减至零,最后垂直降落。另外,尽管目前电机与控制电路的故障率已经非常低,但为进一步提升无人机的可靠性与安全性,可为无人机配置小型降落伞,一旦无人机失控,可通过开伞降落。



     另外,配置了前三点式起落架的无人机还可通过滑跑的方式实现短距起降,系统可靠性更高。目前的设计中,机翼处电机固定于可绕轴旋转的铝制框架内,高扭矩舵机拉动摇臂可使铝制框架让平行于机翼展向的轴转动,实现旋翼从水平至竖直的倾转(如 REF _Ref426399128 \h \* MERGEFORMAT 3所示);尾部电机同样固定于可绕平行于机身轴线旋转的铝制框架内,由舵机带动电机绕机身轴向旋转,实现克服偏航力矩。目前整机机体结构已完成设计。

         三旋翼垂直起降固定翼空中机器人项目的技术难点

主要有以下几个方面:

a)简单、高效、可靠的倾转旋翼机构设计

与变后掠翼飞机类似,通过后掠角改变跨音速性能的性能是以牺牲结构重量为代价;而三旋翼垂直起降固定翼空中机器人获得垂直起降能力的同时也需要付出额外的结构重量,降低无人机的有效任务载荷,因此需要设计一套简单、高效、可靠的倾转旋翼机构,初步的设计如  3~ 4所示,所花费的结构代价最小,其效率与可靠性还需进步试验验证。

b)电机高速旋转的振动对倾转控制的影响分析

通过前期的试验结果,电机高速转动时会产生剧烈的振动,该振动对于连杆倾转机构间隙要求很高,间隙过大或机构控制精度较差,常常造成机翼电机在俯仰方向的随机摆动,从而引起机体左右升力不均衡,使得机体离地后倾倒,而该随机摆动对于倾转反馈控制有很大的干扰,解决的办法首先是降低机构间隙,使位置在振动过程中位置漂移量达到最低,其次在控制上加强鲁棒性设计。

c)倾转过程中螺旋桨滑流对全机气动特性的干扰分析

倾转过程中,尽管水平速度较低,但机翼始终处于一个小迎角范围内,可采用基于雷诺平均的CFD求解器可获得多个速度下无人机高精度气动力系数;然而随着电机的倾转,螺旋桨射流方向会随之而变动,滑流与机翼的相互干扰会使得全机气动力系数的改变,因此要通过CFD计算多个倾角下螺旋桨滑流的干扰分析,才能够更为精确的建立无人机倾转过程中的动力学模型,而后对控制率提供设计依据。

d)倾转过程中无人机控制率设计

倾转旋翼的设计最难点即为过度状态的控制率设计,起飞状态下,内回路的控制即为保持水平、航向与滚转的稳定性;滚转方面需要机翼左右旋翼间偏角与输出功率的匹配;水平方向需要控制尾部旋翼与机翼旋翼匹配,使合力作用点稳点在重心附近;航向上,尾部旋翼倾转需要与航向变化匹配,另外由于尾部旋翼的倾转带来的竖直方向力的减少还需要增大输出功率来匹配,整个系统有六个控制变量、三个控制目标耦合控制,较为复杂。 

国内很多研究者都提出了大量的倾转旋翼布局,并已申请了大量的专利,虽然已有类似于我公司提出的三旋翼垂直起降固定翼空中机器人方案,但实际制造者寥寥无几,仅仅提出了一种构想。目前在倾转旋翼无人机方面还没有具体的技术标准,通过该项目的成果转化可以逐渐形成一套关于倾转旋翼无人机过渡技术的行业评价标准。