陣列布局輕質結構十六旋翼飛行器

陣列布局輕質結構十六旋翼飛行器

簡介：

能在超低空復雜環境中作業、可精確定點的低成本小型無人飛行器具有廣闊的市場需求與應用前景，而現有成熟的旋翼飛行器負載能力一般不足2kg。我們提出并驗證了通過增加旋翼數量來增大有效載荷的多旋翼飛行器設計方法, 優選出陣列式多旋翼布局，優化設計了輕質框架外伸梁結構，保證了定位精度，提高了飛行穩定性，增強了結構整體剛性。首次設計并實現了可以垂直起降、任務載荷達8kg、載荷重量比達0.4的十六旋翼飛行器。

產業應用情況:

 第五屆全國大學生創新創業年會“我最喜愛的項目"與“創新項目”獎 ；

省級挑戰杯大學生課外學術科技作品競賽一等獎；

已經交付3臺供上海交奉農業科技有限公司使用

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詳細介紹：

1.【研究背景和意義】無人機在軍事上早已獲得廣泛的應用，從小型單兵偵察用的微型旋翼飛行器,到大型的攜帶武器的攻擊型飛行器掠食者，都是軍用無人機實用的范例。而隨著三軸陀螺儀等硬件和飛控軟件技術成本的降低，越來越多的無人飛行器被用于婚慶和廣告拍攝等民用領域，其中多旋翼飛行器以其起降場地要求小，飛行穩定等特點有極大的應用前景。一些高精度拍攝儀器重量是現有四旋翼飛行器無法負載（有效載荷僅有1-2kg）的。而現有的無人直升機成本約為20萬元，高昂的成本是一般的用戶難以承擔的。多旋翼飛行器則是解決這一矛盾的途徑之一。因此我們迫切需要設計制作一架具有6-8kg（包含了云臺設備重量）大負載，成本相對現有無人直升機低廉的旋翼機，提供給市場。在本次飛行器設計當中，我們對載荷6-8kg多旋翼飛行器的實現方法進行了探索，為多旋翼飛行器的大型化進行了一些基礎性的工作。 2.【飛行器類型選擇】現在常見的無人飛行器的布局有：固定翼，直升機和多旋翼。固定翼布局的飛行速度快，航程遠，負載能力大，結構簡單，可靠性強。但其最小飛行速度高，無法在狹窄空域停留，使其難以充當穩定的監視/拍攝平臺。直升機型的無人機能解決這些問題，但其機械復雜度高，在小型化后機械部件的成本相對較高，在50kg以下小型無人機中使用的并不多。相比之下，多旋翼無人機具有機械簡單和操縱簡便的特點，在50kg以下的航攝無人機中占了大部分。這充分說明在這些布局形式中多旋翼布局是滿足我們設計要求的最佳選擇。 3.【布局選型】根據多旋翼飛行器設計的要求和經驗，我們提出了一系列可能的旋翼方案：四旋翼，八旋翼，十二旋翼，十六旋翼，二十旋翼。在以上動力布局方案中，我們需要考慮四個主要方面的性能以進行評估。綜合考慮動力和結構的因素四旋翼飛行器的總重量最輕，八旋翼飛行器總重量最重，十六旋翼布局次之。綜合考慮經濟性、結構重量、載重效率等因素，四旋翼飛行器在續航力和載重量上有明顯的優勢，十六旋翼飛行器具有較低的成本，八旋翼飛行器不具優勢。 4.【16旋翼布局的安全性分析】分別計算四到16旋翼布局下的故障概率。當單個旋翼出故障的概率達到7.1%時，四旋翼無人機不安全的概率明顯的要大于八旋翼和十六旋翼無人機的不安全概率，此時，如果認為三個旋翼出故障則十六旋翼無人機即處于不安全情況，那么八旋翼和十六旋翼無人機不安全概率是相同的，據經驗以及計算可知，特定的三個旋翼發生故障時是安全的，從而十六旋翼無人機的安全概率明顯的高于八旋翼無人機。根據飛行經驗，每一個旋翼出故障的概率是0.1%，從而可得十六旋翼的安全概率明顯的高于八旋翼無人機和四旋翼無人機。 5.【結構設計與優化】我們決定摒棄現有多旋翼飛行器的懸臂梁結構，而采用傳力性能更好的外伸梁結構。但是外伸梁的組合和布置同樣是一件頭疼的事情。多組旋翼之間的傳力協調是十分重要的，這直接決定了飛行器在飛行過程中的靜穩定性和動穩定性。為了達到旋翼之間的傳力協調，就必須采用對稱式的結構布局，那就必須采用幾組對稱的外伸梁結構。我們參考了許多對稱的梁結構布局，但是都沒能很好地解決結構的設計問題。一次我們在食堂吃飯的時候，發現食堂的天花板上的梁都是呈井字形的對稱網格結構，我們由此受到啟發，決定嘗試井字形的對稱外伸梁結構。這樣做不僅摒棄了現有多旋翼飛行器懸臂梁的結構，同時由于井字形的框架結構使得每個旋翼上的力都能夠通過節點更好地傳遞給飛行器的各個結構部件，大大提高了了飛行器內部的傳力效率。 但是井字形梁中間是矩形環，容易在節點處產生剪切變形，對整個結構的剛度造成較大的影響。由此我們決定在井字形框架結構的基礎上引入兩根貫穿井字的兩根斜梁，使得中間的環形結構成為桁架結構，這樣使得在保證結構的高傳力效率地同時，能夠更好地保證內環的剛度。 6【試飛測試項目】分別進行了單個動力系統拉力系統測試、結構強度測試、初步飛行測試、航線測試、升限測試、續航時間測試。 7【結論】 通過調研，我們提出了一種載重8kg的航拍多旋翼飛行器的設計需求。經過一系列標準的飛行器選型和設計流程，我們發現十六旋翼飛行器布局具有明顯的飛行穩定性、安全性和成本優勢，選擇其作為我們多旋翼飛行器的布局方案。在詳細設計我們為其設計了輕質的框架外伸梁結構，顯著優化了其重量/載荷比。經過性能測試和具體航拍使用，該多旋翼飛行器被證明達到了設計要求。在以下幾方面取得創新成果： 1.提出并驗證通過增加旋翼數量來增大有效載荷并提高穩定性的多旋翼飛行器設計方法,首次設計并實現了任務載荷8kg的十六旋翼飛行器; 2.優選出陣列式多旋翼布局，保證定位精度，提高飛行穩定性； 3.針對陣列式十六旋翼布局，優化設計了輕質框架外伸梁結構，增強結構整體剛性，提高飛行器載荷重量比。 本發明具有以下技術特點和優勢： 高穩定性、可垂直起降、具有高精度的定點懸停能力、任務載荷達8kg、抗風性能好、可貼地飛行、安全可靠。 1.與固定翼無人機相比，對起降場地要求小，低空飛行安全性高； 2.與無人直升機相比，可靠性高、成本低、安全性好，可在超低空復雜環境中執行任務； 3.與成熟的四旋翼飛行器相比，在維持較低成本的前提下，可實現8kg任務載荷，多項關鍵性能均明顯提高。 作品適用于超低空復雜環境中的信息采集及高精度空中作業。如搶險救災、巡邏警戒、低空偵察、河流水位線監測、高精度農藥噴灑等。能夠在超低空復雜環境中作業的、可精確定點的高性價比小型無人飛行器具有廣闊的市場需求與應用前景。國內載荷2kg以內多旋翼飛行器市場總規模約4.2億元人民幣，鑒于本作品在成本及性能的比較優勢，如果能占有該市場的20%，則可有8000萬左右的年產值。本組品將多旋翼飛行器的任務載荷從2kg提升到8kg，拓展了多旋翼飛行器的市場覆蓋能力，且在2kg-8kg任務載荷范圍內開拓了一個獨占性市場。