小型旋翼无人机技术探讨-科技论文

摘 要:随着现代电子信息技术和飞行自主控制技术的不断发展,无人机这种原本主要应用于军事的设备逐渐走进了普通消费者的视野之中,其中又以小型旋翼无人机最为普遍。小型旋翼无人机是无人机的一种,其是指通过无线电遥控,能够垂直起降并且具有一定自主飞行能力的小型不载人飞行器。小型旋翼无人机在航空拍摄、农业植保、电路巡线中得到了广泛的应用,给人们的生产生活带来了极大的便利。本文从小型旋翼无人机的概念讲起,总结了小型旋翼无人机的分类、关键技术和发展,最后对小型旋翼无人机的未来做出一定的展望。

1 小型旋翼无人机概况 1.1 小型旋翼无人机简介

小型旋翼无人机是一种具有旋翼结构,由无线电遥控的微机电系统集成的小型不载人飞行器。小型旋翼无人机能够在飞行过程中实现垂直起降、自由悬停,具备自主飞行和着陆能力。小型旋翼无人机根据旋翼的数量,分为单旋翼无人机和多旋翼无人机。单旋翼无人机的结构类似于直升机,其特点是续航较为持久。而多旋翼无人机又分为三旋翼、四旋翼、六旋翼、八旋翼等,相对于单旋翼,多旋翼无人机更为灵活稳定,载重能力更强,操作相对简单,所以得到了更加广泛的应用,见图1。

通过搭载不同的设备,小型旋翼无人机可实现在各行业中的多种应用:搭载相机,可用于航空拍摄、电路巡线、高空监控、电影拍摄等;搭载农药等农业设备,可用于农业植保;搭载测绘仪器,可用于地理勘测、地图绘制等;搭载救援物资,可用于人道主义救援及物资运送;搭载包裹和信件,可实现精准的无人快递送货。

“唯(维、惟)”是句首，句中语气词。[4]210如果用在判断句中，则帮助表示判断。[4]210-211上博楚简三篇中“唯(维、惟)”皆为用于句首、句中的语气词。共14例。如：

1.2 小型旋翼无人机的发展和现状

旋翼式飞机最早出现于20世纪初期,但在当时并没有受到人们的重视,只是在军事上有小规模的应用而已。在20世纪90年代后,随着微机电系统的发展逐渐成熟,小型自动控制器成为现实,但由于单片机的运算速度有限,直到2005年,稳定的小型旋翼无人机才被正式开发出来。随后,小型旋翼无人机的开始进入人们的生活,随着应用领域的拓宽,小型旋翼无人机的发展在2013年进入爆发期,国内外的一大批创业公司和投资者疯狂进入,市场规模越来越大。

典型的MS/RS主要由高密度存储货架、提升机、多层穿梭车、轨道、控制系统和仓储管理系统(Warehouse Management System，WMS)构成。其中，多层穿梭车在货架每层轨道上运行，负责货物的水平运输;提升机安装在巷道口，负责货物的垂直运输，而DMS/RS的提升机单次可以运输两个货物。单个货架的示意图及俯视图如图1和图2所示。

图1 小型多旋翼无人机分类

目前,我国无人机发展迅猛,已经成为了备受关注的新兴产业。我国主要的无人机生产企业有深圳大疆创新、广州亿航智能、北京零度智控等。其中,深圳市大疆创新在技术上是小型旋翼无人机行业的领跑者,占有全球无人机市场的50%份额。现在,国内注册的无人机企业已近万家,无人机的产值也高达40亿,而其中消费级的航拍无人机占最大份额,以下是几款小型旋翼无人机对比:

从表1中可以看出,小型旋翼无人机的市场主要以四旋翼无人机为主流,这是因为四旋翼操作简便,稳定性高且成本较低。其功能大多集中于航拍,并且这类产品已经从高精尖的技术人员下探到了普通消费者,特殊用途(如植保,救援,运输)的无人机品种较少且价格较高。受限于机载电池的体积和容量,小型旋翼无人机的续航普遍不高,都在半小时左右。

2 小型旋翼无人机的技术 2.1 主要技术

小型旋翼无人机的主要结构和各项技术决定了无人机的性能。小型旋翼无人机的组成如图2所示。

2.1.1 机身

图2 小型旋翼无人机组成

表1 市场流行航拍无人机对比

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图3 小型旋翼无人机机身结构

机身是飞行器的主体部分,位于旋翼无人机的中央。无人机的其他组件——电池、传动系统、航空电子设备、传感器等,根据重量对称平衡原则均安装在机身的不同位置上,如图3所示。小型旋翼无人机的常用架构模式有X字模式和十字模式,X字模式的效率更高,因此高性能的小型旋翼无人机多采用X字型架构。小型旋翼无人机的机臂一般使用碳纤维圆管作为主要材料。碳纤维圆管的强度更高且不易变形,可以承受更大的外力。在机身材料的选择上,通过玻璃纤维和树脂的配合使用,机身重量大大减小同时机身强度有效提高,并使机身具有高耐热性和耐腐蚀性,从而使无人机在各种环境下稳定工作。

2.1.2 动力系统

动力系统是产生动力并以一定方式传递动力使小型旋翼无人机产生移动的一套组件。传动系统中主要包含了螺旋桨、电机、电子速度控制器和电池。电机是小型旋翼无人机的动力机构。在小型旋翼无人机中,通常使用无刷电机,这一类电机产生的噪声低,对飞行干扰小且更为高效可靠。常见的旋翼无人机的多个电机对称分布在各个轴上,并且同一条轴线上电机的旋转方向相同,相邻的电机旋转方向相反,以抵消陀螺效应和动力扭矩,维持无人机的稳定。电机与螺旋桨相连,控制螺旋桨的转速和转动方向,螺旋桨是直接与空气作用产生升力的装置。较大的螺旋桨产生的升力越大,但同时效率也越低。在飞行过程中,无人机通过电子速度控制器对飞行速度进行调整,将直流电池产生的电力转化为可供无刷电机使用的三相交流电源。电池是小型旋翼无人机的供电装置,给电机和机载电子设备供电,一般以高密度锂电池为主。旋翼无人机通过电子速度控制器传输信号,调节电机转速,带动螺旋桨的转动,最终实现无人机的悬停、升降、前进等飞行状态的调整。

2.1.3 飞控系统

飞控系统是无人机完成操作者操控的既定任务或实时任务所必须的核心系统。飞行控制器由信号接收器、GPS、陀螺仪、电量显示器、机载传感器和机载计算机构成。信号接收器用于接受由遥控装置发出的信号。GPS模块包括GPS接收器和磁力计,再与陀螺仪配合组成惯性导航控制系统,搭载在小型旋翼无人机上可提供飞行器所处的经纬度、高度、航迹方向和地速等信息。通过飞控系统各部分的协调运作,无人机可以实现多种飞行模式,如悬停、导航、跟随等。机载计算机是飞控系统的中枢系统,负责对旋翼无人机在飞行过程中的状态进行运算并计算出最优的动作方案,指挥旋翼无人机的飞行。飞控系统获得从机载接收机发出的PWM信号,随后把该信号转化成控制量,再经过PID调节把输出量输送给各个电机来控制无人机的动作。飞控系统通过电子速度控制器调控电机的转速,以此实现转向操作,并调控外设设备。同时,飞控系统作为数据终端的核心,会飞行过程中记录无人机的飞行状态、位置信息、任务情况和载荷数据并将这些数据传输到地面终端。如果没有飞控,无人机就会因为无法平衡安装过程中零件不一致、各组成部分间不能相互配合等原因,而不能稳定地飞行。

2.1.4 其他组成

小型旋翼无人机的其他主要组成还有遥控装置、任务设备和通信模块。对小型旋翼无人机的操控主要通过遥控装置来实现,遥控装置包括遥控器和接收器。接收器安装在飞行器上,为一个标准的遥控无线接收单元。遥控器用于发出电子信号控制小型旋翼无人机飞行并接受飞行器反馈的飞行信息。任务设备直接体现小型旋翼无人机的特定功能,小型旋翼无人机应用于不同的领域时,会搭载不同的任务设备。数传和图传是通信模块的主要部件。数传即以数字传输的形式完成飞控系统和数传终端间的数据信息交流,图传则是接受机载相机完成拍摄后的图像传输。

2.2 主要问题

2.2.1 续航问题

2.问题的设置要有一定的启发性。教师在进行问题设置时必须注意其启发性，学生在思考的时候便会有一定的疑惑，这样很容易让学生为了问题进行争论，这样，学生的交流也会增多，学生的思维也很容易得到开发，比如说教师在教学时，设置问题启发学生进行思考，并对学生进行一定引导，这样学生在思考问题时，便会愿意更加积极地进行探索，从而不断提高自身的思维创造力和探究性思维。教师在设置问题时，应该设置一些灵活性比较强的题目，并对学生进行启发，教会学生举一反三，这样学生的思维会更加灵活，很容易学会一类题的解法。

小型旋翼无人机的续航时间短是目前旋翼无人机产品与市场需求的主要矛盾。一般的电池只能使小型旋翼无人机续航20分钟左右。受到普通的锂电池能量密度小、直流电机电功率太大的局限,在面对需要较长时间的工作,例如快递运送、地理测绘时,将会遇到很多问题。在未来,如果续航时间能够上升到两小时左右,就能满足绝大部分的作业要求。

2.2.2 飞行稳定性

时政讲师。熟悉党的理论路线方针政策，关注国家大事。研究宣讲时政热点。宣讲方式：党委中心学习小组宣讲、形势与政策宣讲、思想政治理论课即《思想道德修养与法律基础》《毛泽东思想和中国特色社会主义理论体系概论》安排一次宣讲课、指导青年马克思主义者协会宣讲、利用主题班会宣讲、校外宣讲等。

虽然小型旋翼无人机相比于固定翼无人机更为稳定,但其工作的环境也更为恶劣。小型旋翼无人机最主要的特点是能够自主悬停,因此对于稳定性的要求更高。小型旋翼无人机常在高空中进行工作,当遇到强风、雨天等极端环境时,无人机的飞行会受到影响。影响无人机稳定性的主要因素有:飞行过程中的几何风阻,重心的位置,重量的分布,螺旋桨与传动系统的匹配度(螺旋桨越轻反应越快)和无人机的软硬件配置(飞控等)。在这些方面,小型旋翼无人机还需进一步优化。

2.2.3 载重能力

小型旋翼无人机在将来会在快递运送、人道救援中大规模使用。但是目前无人机的承载重量十分有限,大多数无人机只能搭载重量较小的摄像头。小型旋翼无人机的载重能力受到自身重量及其动力的限制,市场上的小型旋翼无人机大多只能搭载较小的应用平台,如小型摄像平台。这一缺点直接导致了目前小型旋翼无人机应用不宽广的局面。

相比传统工艺，因其广义装配式技术下的材料模数统一，工厂装配等特点，质量可控，减少现场现做构件的成本，提升工效，各专业设计采用广义装配式材料，考虑各工种（如机电、室外园林）穿插施工，处于关键线路上的广义装配式技术（如结构、建筑、精装修等），预计可节约工期20d。

3 小型旋翼无人机的未来发展

目前,小型旋翼无人机在民用市场的份额逐渐上升,在航拍等领域展现出极大的优势,但同时,小型旋翼无人机仍处于不断发展优化的过程中。本文认为小型旋翼无人机将在续航能力、飞行稳定性、载重能力、功能多样化等方面进行突破。针对续航能力,目前主要提出了研制新型电池、应用混合动力、无线充电等设想。随着续航能力的提升,小型旋翼无人机可以广泛运用于对工作时长要求较高的地理勘测、管道巡线等作业中。针对稳定性,可以优化无人机的自主控制系统,使其在地图测绘、高空监控等高空作业中派上用场。针对载重能力,可以研究新型机身材料或是提高小型旋翼无人机的飞行动力,高载重的无人机将会被用于快递运送和人道救援物资运送。总之,以小型旋翼无人机为代表的民用无人空中系统正在世界范围内掀起发展热潮。尽管此类系统的使用在政策监管方面仍面临不少问题,但它在各方面的应用需求快速增长,有望在不久的将来成为闪耀的经济增长点。

参考文献

• [1]《漫话无人机》编写组.漫话无人机[M].中国:机械工业出版社,2017.
• [2]Terry Kilby,Belinda Kilby.自己动手制作无人机[M].中国:机械工业出版社,2014.
• [3]Make杂志编辑.爱上无人机[M].中国:人民邮电出版社,2017:12.
• [4]宋世伟.小型无人机高速公路监控系统应用研究[D].石家庄铁道大学,2014.
• [5]李旭阳.小型多旋翼无人机飞行控制器研究[D].西安电子科技大学,2014.
• [6]李少斌.型多旋翼飞行器控制技术研究[D].南京航空航天大学,2013.
• [7]邹灿东,王维军,屈香菊.小型连翼布局倾转旋翼无人机方案研究[A].中国力学学会、郑州大学.中国力学学会学术大会2009论文摘要集[C].中国力学学会、郑州大学:2009:2.
• [8]尤元,李闻先.四旋翼无人机设计与滑模控制仿真[J].现代电子技术,2015(15).
• [9]甄红涛,齐晓慧,夏明旗,赵红瑞.四旋翼无人直升机飞行控制技术综述[J].飞行力学,2012,30(04):295-299.
• [10]唐亮,徐庆九.海军倾转旋翼无人机技术和发展优势综述[J].科技资讯,2012,(28):73-74+76.