混合翼无人机的设计

刘辉++陈立业++邹馨毅++马思远

摘 要针对如今市面上航拍器飞行速度慢，不能很快达到指定地点，当搭载较大摄影设备时，需要体积大，价格昂贵的多轴飞行器的现状。本文设计一款以载重量高，速度较快可垂直起降为特点的四轴与固定翼为一体的无人机。着重研究垂直转平飞状态及飞机的空气动力设计。

【关键词】混合翼无人机 气动布局 设计 飞控

1 引言

本文所设计的混合翼无人机中提及的混合翼体现在飞机起降阶段，采用四旋翼的垂直起降方式，通过控制四个涵道电机的输出功率来控制飞机起降的平衡；平飞阶段，则是同固定翼一样通过控制舵机来改变飞机的翼面来控制飞机的飞行姿态，此时涵道只是用做动力输出。所以本飞机设计的第一性能特点在于当飞机满载时依然具有较好的操作性和自行稳定性。用于投放救灾药品、救生设备以及拍摄具有非常可靠的性能，飞机空机重量轻，飞机体格大，其突然优点是不用考虑环境随意降落。

2 硬件部分

2.1 总体布局

本文所设计的无人机，飞机翼展2.2米，空重3Kg，使用4台涵道机，额定转速42000r/min。飞行速度45km/h，最小转弯半径40米，最大爬升角度40°，高强的机动性和载重能力主要面向山区、城市等飞行环境密集状况下的短途货物运输和拍摄工作。

飞机主体结构采用优质的航空层板和巴尔沙轻木制作，采用热缩膜作为蒙皮，主要承力结构使用碳纤维复合材料和铝合金相配合，具有空机结构重量轻，制造成本低，加工工艺简单的特点。

垂尾选择使用双尾梁结构，一般来说，更大的机身和更大的翼展通常意味着更大的航程。更大的机身，机身结构和操作系统、机载设备所占用的空间和重量比例小，负载空间更大，设计上电池位置也更容易配平。更大的翼展有更好的展弦比，升阻比提升，节约能量。图1是整个设计系统的设计框图。

2.2 机翼平面设计

本机型设计巡航速度为45Km/h，属于慢速无人机，在做气动设计时无需考虑空气压缩性及激波阻力的影响，1/4弦线后掠角设为0°，通常大展现比机翼的诱导阻力会更小，机翼的三维效应较小，会有更高的升阻特性，通常梢根比0.45时最接近椭圆形环量分布。根据以往设计经验及常用航模制作材料情况综合考虑，初步将本机翼翼根弦长设为0.3米，翼梢弦长0.25米，翼展2.2米，作为后续详细气动设计的参考性进行计算。

2.3 动力系统

为了能够实现垂直起降以及提高平飞时的机动性能，我们采用涵道电机作为飞机的动力输出，将四个涵道电机置于左右机翼前后构成X型，起降阶段，四个涵道类似于四旋翼无人机的四个螺旋桨，由飞控控制其输出功率使飞机平稳起飞；平飞阶段由舵机连接涵道，实现涵道的90度旋转，此时飞机结构变成普通的固定翼进行控制。

2.4 涵道旋转结构设计

如图所示，经过车床加工的铝合金件1一端通过螺丝与连接片固定在尾梁上，另一端与涵道相连接，起到悬挂电机的功能。铝合金件2固定在涵道发动机上，通过碳纤维杆与固定在机身上的舵机相连接。起飞时，四个涵道发动机均与地面成垂直状态，提供飞机离地所需升力。当飞机达到预定高度后，通过舵机的转动带动涵道发动机沿逆时针方向旋转90°，使飞机平飞。

3 软件部分

飞行控制器的设计是基于ST公司生产的STM32F103C8T6芯片，应用专门设计的ARMCortexM-3内核，拥有丰富的片上资源，相比市面上的成品飞控，可大大降低系统的开发成本，节约资源。此款飞控的开发是在Keil平台下完成的，主要完成硬件平台初始化、飞行姿态解算、遥控信号解码、电机以及舵机控制、飞行模式转换等工作，图2是整个飞控的控制流程图。

3.1 姿态解算

飞行姿态解算方面，采用MPU6050官方的基于MSP430的DMP库，将它移植到STM32平台下，可直接输出四元数，在通过转算得到欧拉角，即獲得飞机此时的姿态；

3.2 遥控信号解码

遥控信号解码方面，此款飞控采用的是天地飞9通道遥控器，通过stm32的定时器输入捕获功能捕获遥控器接收机输出的不同占空比的PWM信号来读取各通道的控制量。

3.3 电机控制

电机的控制方面，通过遥控信号获取期望的控制值与解算出的当前的姿态做对比来控制电机的输出量，采用的角度和角速度的双闭环PID算法，角度的误差被作为期望输入到角速度控制器中 （角度的微分就是角速度），采用双环PID能改善机身飞行过程中的自旋问题并有效的提高飞行系统的稳定性。

4 总结

在机身结构足够强的情况下，同过遥控进行飞行模式的转换，实现飞机的平稳的垂直起降，以及在平飞阶段具有明显的高机动性能。此款飞机的实际尺寸与重量超过了起初设计的参数，但是四个涵道的推力仍能够满足动力需求，只是电力消耗上会稍微有些大，是飞机的续航能力不是很好，后续希望可以通过改进机身结构和优化供电方案来提升飞机的续航能力。

参考文献

[1]吴勇，罗国富.四轴飞行器DIY—基于stm32微控制器[M].北京：航空航天大学出版社，2016.

[2]秦永元著.惯性导航[M].北京：科学出版社，2014.

[3]黄小平著.卡尔曼滤波原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2015.

[4]蒙博宇著.stm32自学笔记[M].北京：航空航天大学出版社，2014.

作者单位

中国民航大学 天津市 300300