紀(jì)鑫東，蔣維安

（中國民用航空飛行學(xué)院飛行技術(shù)學(xué)院，廣漢618300）

0 引言

無人機(jī)是一種由動力驅(qū)動、機(jī)上無人駕駛、可重復(fù)使用的航空器的簡稱，英文常用Unmanned Aerial Vehicle表示，縮寫為UAV[1]。多旋翼無人機(jī)作為航空產(chǎn)品領(lǐng)域的一枝新秀，以新穎的結(jié)構(gòu)布局、獨(dú)特的飛行方式和廣泛的用途引起了人們越來越多的關(guān)注和重視，風(fēng)行全球，迅速成為新的創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)新研究熱點(diǎn)[2]。

四旋翼無人機(jī)以其獨(dú)特的性能，迅速成為旋翼無人機(jī)的翹楚，在眾多領(lǐng)域中都有著較好地應(yīng)用。

復(fù)雜環(huán)境（例如火災(zāi)場地或森林搜尋）對無人機(jī)的需求較大且較快增長。隨著我國城市建設(shè)的高速發(fā)展，建筑火災(zāi)時有發(fā)生，造成了人員傷亡和財產(chǎn)損失[3-4]。在火災(zāi)的高溫作用下，建筑材料的性能迅速劣化，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力下降，極易造成倒塌[5]，導(dǎo)致救援通道被阻塞，使人員被困。在滅火救援過程中，消防員需要承受各種極端條件[6]消耗大量時間搬移障礙物，才能找到被困人員。長時間的高溫烘烤和建筑材料的二次塌陷還可對救援人員的生命安全造成嚴(yán)重威脅[7-8]?？焖偬矫餍掖嬲叩臏?zhǔn)確位置，對縮短救援時間和減少人員傷亡意義重大。

對在森林中失蹤的人員進(jìn)行搜尋救援的過程中，大部分情況是在崇山峻嶺中進(jìn)行的，常用的方法是通過載人直升機(jī)在森林上空進(jìn)行搜尋。當(dāng)遇到樹木繁多、枝葉茂盛的情況，直升機(jī)上的搜尋人員向下觀望的視野容易被枝葉遮擋，并且山中時常伴有局部大霧，也會遮擋上空搜尋救援的視線。

隨著科技的日益進(jìn)步，飛行器在救援行動中逐漸嶄露頭角[9]。無人機(jī)作為災(zāi)難搜尋救援機(jī)器人中的一員，有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢[10]。尤其是四旋翼無人機(jī)可以通過建筑物內(nèi)部的通道，穿插于各個樓層進(jìn)行巡視，節(jié)省了搜尋時間，提高了搜救效率。與地面無人搜尋器和消防員搜尋相比，還能不接觸任何建筑材料從而避免余溫造成損傷。對于森林失蹤人員的搜尋，四旋翼無人機(jī)可以在森林內(nèi)部進(jìn)行快速穿插搜尋，既可以克服空中直升機(jī)搜尋時遇到的障礙物遮擋視線的困難，又可以大大提高搜尋效率。

現(xiàn)有的四旋翼無人機(jī)構(gòu)型的布局為四個螺旋槳彼此之間間距較大，這樣既能保證飛行器飛行過程中的穩(wěn)定性，又能使各螺旋槳之間旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流相互影響最小，減少升力損失。

由于失火建筑物內(nèi)部及森林內(nèi)部空隙大小不規(guī)則，所以在上述兩種環(huán)境進(jìn)行搜尋時，這種固定布局的四旋翼無人機(jī)在穿越狹小空間時姿態(tài)不靈活，甚至有可能出現(xiàn)旋翼碰撞周圍障礙物，造成旋翼破損、飛行器失控的情況。受限于無人機(jī)的尺寸與重量之間的矛盾的制約，較大尺寸無人機(jī)難以進(jìn)入狹小空間執(zhí)行搜尋任務(wù)，影響了可達(dá)性；較小尺寸無人機(jī)的有效載荷小，難以滿足復(fù)雜空間中搜尋任務(wù)的需要。

本文提出一種變體結(jié)構(gòu)無人機(jī)，旨在減小無人機(jī)搜尋的可達(dá)性與有效載荷間的矛盾，擴(kuò)大無人機(jī)在特定搜尋環(huán)境下的應(yīng)用范圍。

1 用于復(fù)雜環(huán)境搜尋的變體無人機(jī)構(gòu)型設(shè)計

1.1 構(gòu)型設(shè)計

圖1為所設(shè)計的變體無人機(jī)構(gòu)型示意圖，變體構(gòu)型上的不同部件分別用數(shù)字1至數(shù)字7標(biāo)注，標(biāo)注1為支撐臂驅(qū)動件；標(biāo)注2為機(jī)身中央部分；標(biāo)注3為機(jī)身外圍框架部分，該部分與機(jī)身中央部分之間為鏤空狀態(tài)，保證無人機(jī)在變體過程中的氣動特性，同時采用大框架構(gòu)型，在飛行器變體過程中能夠承受變體層的力矩；標(biāo)注4為雙葉螺旋槳；標(biāo)注5為驅(qū)動件轉(zhuǎn)動軸；標(biāo)注6為支撐臂；標(biāo)注7為電機(jī)。

基于圖1里的“變體無人機(jī)構(gòu)型俯視圖②”中所標(biāo)注的位置點(diǎn)字母，AB為支撐臂的旋轉(zhuǎn)半徑，四條支撐臂長度相同，BC、CD、DE和BE均為相鄰兩個驅(qū)動件轉(zhuǎn)動軸之間的距離，AF為螺旋槳半徑，四個螺旋槳尺寸相同。

圖1 變體無人機(jī)構(gòu)型示意

上述新型四旋翼無人機(jī)構(gòu)型的工作原理為四個螺旋槳在電機(jī)的驅(qū)動下給無人機(jī)提供升力，當(dāng)無人機(jī)需要通過寬度較窄的空間時，四條支撐臂在驅(qū)動件的帶動下繞著轉(zhuǎn)動軸按既定方向均速旋轉(zhuǎn)，以此來改變無人機(jī)的構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)變體。

基于變體無人機(jī)構(gòu)型的運(yùn)動原理，既要實(shí)現(xiàn)變體，又要實(shí)現(xiàn)變體后機(jī)身橫向尺寸的減小，各設(shè)計參數(shù)需同時滿足下列三個關(guān)系：

1.2 構(gòu)型建模

根據(jù)1.1小節(jié)中所列出的構(gòu)型需同時滿足(1)(2)(3)三個關(guān)系式，選取一組滿足條件的具體數(shù)值，利用UG軟件進(jìn)行建模，便于進(jìn)行運(yùn)動仿真和干涉性檢查。

現(xiàn)有四旋翼無人機(jī)電機(jī)與槳片的選擇對應(yīng)關(guān)系如表1所示[2]。

表1 電機(jī)與槳片的選擇對應(yīng)關(guān)系

為了保證飛行器既具備一定的載運(yùn)拉力又達(dá)到初始尺寸的盡量減小，還能驗(yàn)證方案的有效性，使用5英寸槳搭配2800kV值電機(jī)。

經(jīng)實(shí)物測量，5寸槳半徑為63.5mm，即AF=63.5mm；實(shí)物電機(jī)底座直徑為20mm，為確保電機(jī)底座安裝牢靠，支撐臂寬度設(shè)計數(shù)值為20mm，驅(qū)動件短邊寬度為20mm，為確保外側(cè)機(jī)身框架與驅(qū)動件安裝牢靠，同時保證機(jī)身外側(cè)框架對螺旋槳的氣動性影響最小，外側(cè)機(jī)身框架寬度選擇最小設(shè)計值20mm，為保證飛行器機(jī)身既能盡量減小又能滿足飛行要求，支撐臂半徑AB設(shè)計為70mm，為滿足關(guān)系式（3），設(shè)計BC=CD=DE=BE=300mm。通過UG（Unigraphics）建立的三維模型如圖2所示。

圖2 變體無人機(jī)建模示意

2 變體無人機(jī)構(gòu)型仿真分析及優(yōu)化

2.1 構(gòu)型仿真分析

該設(shè)計的最終目的在于無人機(jī)通過變體改變自身結(jié)構(gòu)，達(dá)到在必要時可靈活縮小機(jī)身橫向尺寸。通過仿真可以確定該無人機(jī)構(gòu)型在各種變體參數(shù)下的尺寸以及是否發(fā)生運(yùn)動干涉現(xiàn)象。

將所構(gòu)建的變體無人機(jī)三維模型導(dǎo)入UG軟件運(yùn)動仿真環(huán)境中，在運(yùn)動仿真環(huán)境中，命令連桿、固定桿和運(yùn)動副，給運(yùn)動副添加驅(qū)動，為了更好了解分析該變體無人機(jī)的變體過程，標(biāo)記并追蹤四個運(yùn)動的支撐臂，建立解算方案，并進(jìn)行求解，求解結(jié)束后進(jìn)入運(yùn)動仿真準(zhǔn)備階段，如圖3所示為運(yùn)動仿真環(huán)境中模型的俯視圖，將此時無人機(jī)的四個支撐臂的相對位置稱為“初始位置”。

圖3 仿真環(huán)境中模型初始狀態(tài)俯視

在無人機(jī)變體的過程中，為了彼此抵消力矩，a、c支撐臂繞轉(zhuǎn)軸按順時針方向轉(zhuǎn)動，b、d支撐臂繞轉(zhuǎn)軸按逆時針方向轉(zhuǎn)動，且每條支撐臂轉(zhuǎn)速相同。

運(yùn)動仿真結(jié)束后，得到如圖4所示為四條支撐臂分別繞轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動360°后的無人機(jī)構(gòu)型的俯視圖。

圖4 標(biāo)記支撐臂旋轉(zhuǎn)360度后無人機(jī)構(gòu)型俯視

觀察圖4可以得出，當(dāng)四個支撐臂分別繞著固定轉(zhuǎn)軸完成360°旋轉(zhuǎn)后，彼此之間無論在何種相對位置，都沒有碰撞現(xiàn)象發(fā)生。由此可以得到，該設(shè)計構(gòu)型能夠?qū)崿F(xiàn)四個支撐臂的平面360°旋轉(zhuǎn)，并且在此過程中，四個支撐臂和螺旋槳之間不會發(fā)生碰撞，能夠順利實(shí)現(xiàn)有效變體。

橫向尺寸運(yùn)動仿真驗(yàn)證。

通過觀察如圖4，選定六個支撐臂旋轉(zhuǎn)到特殊位置（0°、45°、135°、180°、225°和315°）時的狀態(tài)，完成螺旋槳的運(yùn)動仿真，驗(yàn)證機(jī)身橫向尺寸能否因變體而顯著減小。得到如圖5所示的支撐臂不同位置螺旋槳運(yùn)動仿真示意圖，利用UG軟件自帶的測量工具，得到不同狀態(tài)下的無人機(jī)構(gòu)型的XC和YC方向上的最大尺寸數(shù)據(jù)。

將圖5中不同狀態(tài)下的無人機(jī)構(gòu)型的XC和YC方向上的最大尺寸數(shù)據(jù)列于表2，令初始狀態(tài)XC和YC數(shù)值為單位1，不同狀態(tài)與其進(jìn)行對比，如表2所示。

表2 不同狀態(tài)下無人機(jī)構(gòu)型XC及YC長度對比

圖5 支撐臂在不同位置的構(gòu)型尺寸測量

根據(jù)表格2中的數(shù)據(jù)可以得到，該無人機(jī)構(gòu)型在變體的過程中，在支撐臂旋轉(zhuǎn)了135°時，XC方向尺寸縮減率最大，達(dá)到了39.0%的縮減，在支撐臂旋轉(zhuǎn)了225°時，YC方向尺寸縮減率最大，達(dá)到了39.0%的縮減，通過計算得到在支撐臂旋轉(zhuǎn)了180°時，無人機(jī)構(gòu)型面積縮減率最大，達(dá)到了58.53%的縮減。由此得出，該無人機(jī)構(gòu)型通過變體可有效減少機(jī)身橫向尺寸。

2.2 構(gòu)型優(yōu)化

通過圖5中螺旋槳旋轉(zhuǎn)仿真圖發(fā)現(xiàn)原始構(gòu)型存在以下不足：

（1）在支撐臂旋轉(zhuǎn)180°時，機(jī)身中央?yún)^(qū)域有一部分阻礙了螺旋槳的下洗氣流，從而容易造成螺旋槳升力損失；

（2）當(dāng)構(gòu)型通過變體面積減小率達(dá)到最大時，此時的螺旋槳并沒有完全被保護(hù)，還有比部分超出了機(jī)身的外沿，容易在飛行的過程中剮蹭到周圍障礙物，造成螺旋槳損傷。

針對無人機(jī)構(gòu)型存在的不足，對其做了以下五點(diǎn)優(yōu)化：

（1）重新調(diào)整構(gòu)型的機(jī)身布局，將機(jī)身中部正方體部分優(yōu)化為圓柱體；

（2）適當(dāng)增加每條支撐臂長度；

（3）中部機(jī)身與外部機(jī)身由原來的四條連接支架優(yōu)化為兩條連接支架；

（4）保留的兩條內(nèi)外機(jī)身的連接支架由原來的長方體優(yōu)化為圓柱體；

（5）外側(cè)機(jī)身的寬度減小為原來的一半，由原來的20mm改為10mm。

優(yōu)化后的無人機(jī)構(gòu)型示意圖如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后構(gòu)型建模示意

構(gòu)型優(yōu)化完成后，依然選取特征最明顯的六個狀態(tài)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得到如圖7所示的優(yōu)化后的構(gòu)型支撐臂不同位置螺旋槳運(yùn)動仿真示意圖，利用UG軟件自帶的測量工具，得到新構(gòu)型在不同狀態(tài)下的XC和YC方向上的最大尺寸數(shù)據(jù)。

圖7 優(yōu)化構(gòu)型支撐臂在不同位置的構(gòu)型尺寸測量

將圖7中優(yōu)化后的構(gòu)型在不同狀態(tài)下的XC和YC方向上的最大尺寸數(shù)據(jù)列于表3，依舊令初始狀態(tài)XC和YC數(shù)值為單位1，不同狀態(tài)與其進(jìn)行對比，如表3所示。

表3 優(yōu)化后構(gòu)型不同狀態(tài)下XC及YC長度對比

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)可以得到，優(yōu)化后的無人機(jī)構(gòu)型在變體的過程中，在支撐臂旋轉(zhuǎn)了135°時，XC方向尺寸縮減率最大，達(dá)到了41.5%的縮減，在支撐臂旋轉(zhuǎn)了225°時，YC方向尺寸縮減率最大，達(dá)到了41.5%的縮減，通過計算得到在支撐臂旋轉(zhuǎn)了180°時，無人機(jī)構(gòu)型面積縮減率最大，達(dá)到了64.30%的縮減。

2.3 優(yōu)化前與優(yōu)化后對比

將優(yōu)化前與優(yōu)化后的幾個典型狀態(tài)下的構(gòu)型對螺旋槳的氣動遮擋面積進(jìn)行對比，得到如表4所示內(nèi)容。

表4 優(yōu)化前與優(yōu)化后氣動遮擋面積對比

分析比較表2、表3和表4可以得出，優(yōu)化后的構(gòu)型比優(yōu)化前的構(gòu)型有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）無人機(jī)構(gòu)型在初始狀態(tài)時，最大構(gòu)型長度優(yōu)化后比優(yōu)化前要長，增加了無人機(jī)的穩(wěn)定性；

（2）優(yōu)化后的構(gòu)型由于少了兩條支架，減少了整機(jī)重量；

（3）當(dāng)支撐臂旋轉(zhuǎn)180°時，螺旋槳已經(jīng)被完全納入到機(jī)身范圍內(nèi)進(jìn)行保護(hù)，避免在飛行過程中受到損傷；

（4）螺旋槳旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的下洗氣流沖擊到機(jī)身上方的面積比優(yōu)化前的構(gòu)型最大減少27.4%，有效降低升力損失，增加了無人機(jī)的穩(wěn)定性；

（5）優(yōu)化后的構(gòu)型最大橫向尺寸縮減率和最大面積縮減率均比優(yōu)化前的縮減率要大。

3 結(jié)果

（1）根據(jù)失火建筑物內(nèi)部搜救需求和森林失蹤人員搜救需求，設(shè)計了一種變體無人機(jī)構(gòu)型，并構(gòu)建了其三維模型。

（2）仿真驗(yàn)證了所設(shè)計構(gòu)型在變體過程中無部件上的碰撞，可以完成變體。

（3）優(yōu)化前的變體無人機(jī)構(gòu)型變體后橫向尺寸最大減少率為39.0%，面積最大減少率為58.53%。

（4）通過運(yùn)動仿真發(fā)現(xiàn)構(gòu)型存在可導(dǎo)致額外升力損失的遮擋。通過對構(gòu)型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，大大降低了遮擋面積，降低了可能的升力損失。

（5）優(yōu)化后的變體無人機(jī)構(gòu)型變體后橫向尺寸最大減少率為41.5%，面積最大減少率64.3%，

（6）優(yōu)化后的構(gòu)型最大氣動遮擋面積比優(yōu)化前減少24.7%。

（7）研究重點(diǎn)在新構(gòu)型的機(jī)械運(yùn)動及功能的實(shí)現(xiàn)及分析，而在變體無人機(jī)的氣動特性方面，僅進(jìn)行了初步探討，在未來需要進(jìn)行深入研究。

4 結(jié)語

（1）利用建模仿真，可有效發(fā)現(xiàn)初始構(gòu)型的重要缺陷。

（2）通過參數(shù)優(yōu)化，可大大降低缺陷的影響。

（3）仿真表明，優(yōu)化后的變體構(gòu)型性能良好，設(shè)計合理、有效，達(dá)到預(yù)期設(shè)計目的。

（4）通過飛行器變體來提高其在建筑物內(nèi)部和森林中的搜救效率既是可能的，也是合理的。