熊赢超
(湖南碳谷新材料有限公司，湖南 长沙 410000)
四轴无人机作为一种新型的旋翼飞行器，是21世纪研究热点之一。自20世纪90年代，伴随着微型机电系统的日渐成熟，使得旋翼飞行器能够实现自动控制。但由于当时其技术处于初级阶段，旋翼飞行器在使用过程中存在着噪声大、巡航短、稳定性差、控制不灵活等诸多问题。随着科技的发展，人们针对旋翼飞行器进行了三维建模、控制算法优化、非线性结构计算等，终于在2005年左右制造出真正性能稳定的多旋翼自动无人机。
四轴无人机作为目前多旋翼无人机中最受关注的一种，最早出现在公众视野中是在2009年印度电影《三傻》中。到2010年，法国公司Parrot发布了首款大众使用的四轴无人机。该四轴无人机作为一个高科技产物，广受好评并开始广泛进入人类社会。2012年，VijayKumar教授在TED上做的关于四轴无人机演讲反响热烈，成为TED演讲中观看量最高的演讲之一。自此，四轴无人机关注度迅速提升，成为人们的关注焦点。2013至2014年，四轴无人机开始搭载无刷电机和高清相机，实现远距离、清晰画质的传输。2014年至2015年，四轴无人机开始搭配GPS跟随、视觉悬停辅助等功能，正式进入高清航拍无人机时代。2016年，yuneec公司推出的无人机通过前后双摄像机和图像识别的视觉跟随实现自主避障。如今随着技术的进一步提升，四轴无人机正式进入智能化无人机时代[1]。本文设计了一种针对航拍的轻型四轴无人机，实现了一种新型的轻型可交互四轴无人机系统。
本无人机主要是作为一种航拍工具，需要兼顾轻型、稳定、续航能力强的特点，同时还应满足国家、行业相关标准，保障安全性。因此，确定的主要技术要求如表1所示。
表1 四轴无人机技术要求
四轴无人机的飞行任务分为起飞、巡航、降落三个基础阶段，其中最为主要的便是巡航阶段。根据使用条件不同，巡航又可分为定高定速、平飞加速两种形态。因此，四轴无人机需根据飞机的重量、推力、环境因素等进行设计。
2.1 起飞/降落阶段
四轴无人机起飞/降落阶段主要通过恒定的提升速度到达指定的高度，起飞的主要参数设定见表2。
表2 四轴无人机起飞参数设定
其提升力计算公式为：
(1)
其中：L为无人机的提升力，N；
ρ为空气密度，500 m高度空气密度为1.166 kg/m3；
S为机翼参考面积，取1.2 m2；
vq为无人机起飞最大速度，m/s；
Cr为飞机提升力系数，根据使用条件，取Cr=0.85。根据算出的提升力进一步计算可得无人机起飞所需功率为6 kW左右。
2.2 巡航阶段
四轴无人机巡航阶段主要实现往返、盘旋、格栅扫描等动作，其运行过程中推力主要克服阻力做功，而提升力需等于重力。四轴无人机巡航主要参数见表3。
表3 四轴无人机巡航参数设定
无人机在巡航过程中，可设定发动机的推力与阻力相当，即：
(2)
其中：F为无人机发动机所提供的动力，N；
D为空气所造成的阻力，N；
CP为巡航时的阻力系数，此处根据使用条件取CP=0.75;vx为无人机巡航最大速度。
无人机所需的提升力应与重力平衡，即：
(3)
其中：m为无人机总质量；
g为重力加速度；
CL为保持重量平衡的均衡系数，此处取CL=0.8。
因此无人机在巡航过程中所需功率为：
(4)
其中：A为展旋长，此处为55 cm；
R为展旋半径，此处为10 cm；
b为机翼展长，此处为30.5 cm。
根据式(4)计算，可得巡航时所需功率为10 kW。
四轴无人机作为一种最直观、最简单的无人机形式，其主要由飞行器控制面板、机架、电源、电机和旋翼等组成。四轴无人机虽结构简单，但需要同时实现四个螺旋桨协调动作，对机架结构、螺旋系统、飞行器控制系统要求十分严格，同时传统无人机动力系统存在续航短、成本高等问题，对无人机的设计存在着巨大挑战。
3.1 四轴无人机的控制系统设计
四轴无人机在飞行期间，由于环境多变复杂、执行任务多样性、机身自身需要小型化和微型化等特点，对控制系统要求较高。针对四轴无人机的性能特点，该无人机采用无线通信与集成控制于一体的mega2560作为主芯片，通过超声波传感器高度控制法，实现四轴无人机的稳定飞行、起飞、悬停、降落等功能。在四轴无人机的控制系统中，其主控芯片相当于人脑，将传感器中数据转化为四轴无人机的实时数据，并通过无线模块进行信息匹配，实现四轴无人机四个电机动作的实时配合，从而实现对四轴无人机的动作控制[2]。
mega2560作为主芯片，具有54个数字输出接口、16个数字输入口，低电压3.3 V/5 V供电，且具备ATmega16U2编程、控制与无线通信、双静态存储等功能，可满足四轴无人机控制要求。
传感器采用多传感器组合的传感器组，用来检测无人机的高度、角度等信息，为无人机的控制计算提供所需的信息与数据。采用三轴螺旋仪、三轴加速器、三轴磁力器构成的姿态角测量传感器单元检测姿态角数据，检测高度数据则通过超声波传感器来获取。因为四轴无人机在飞行过程中外界干扰大，需要精度高，所以应选用抗干扰能力强、精度高、质量小的传感器。
3.2 四轴无人机的旋翼系统设计
该四轴无人机采用高强度碳纤维材料的可变螺旋桨系统，通过周期变距实现前飞、后飞、俯仰、翻转等动作。前后方向动作、翻转仰视可分别通过不同的轴距进行控制，避免了不同周期变距带来的相互干扰。其中旋翼系统最重要的几个参数为旋翼的轴间距、直径、转速、桨叶外形尺寸[3]。
3.2.1 旋翼直径与轴距
考虑到该无人机作为航拍使用，其外形尺寸需控制在25 cm×25 cm×10 cm以内，自身重量控制在2 500 g以内。考虑到旋翼之间的干涉问题、机身长度要求、旋翼直径对旋桨面积和功率的影响等因素初步将旋翼轴距设为20 cm，旋翼直径设为15 cm。
3.2.2 旋翼转速
四轴无人机是通过电机带动旋翼旋转，在此过程中通过桨叶产生提升力。因此旋翼的转速减少虽然会降低无人机的功率，但是同时也会减少旋翼的提升力。考虑到以上因素，旋翼的转速应满足：
ΩR1 (5) 其中：Ω为旋翼转速； 提升力系数计算公式： (6) 其中：Tmax为最大提升重量。 桨叶实度系数计算公式： σ>Crmax/0.12. (7) 其中：σ为桨叶实度系数； 3.2.3 旋翼外形 旋翼桨叶外形采用马刀型后掠形，此形状叶根为圆形，旋翼叶身为ARAH翼形，厚度由薄到厚均匀过度，这样使得每个界面保持均匀的角度，保证了四轴无人机在飞行过程中平衡飞行，不会出现失速，同时可使无人机产生较大提升力，以降低旋翼的无效功率。 本设计机身材料选用碳纤维复合材料。该材料具备以下几个特点： (1) 具备高比强度和高比刚度，且密度只有1.5 g/m3～1.8 g/m3左右，同体积下比铝的重量低，但强度却是钢铁的5倍以上。采用碳纤维复合材料可使无人机减重30%以上。 (2) 碳纤维可设计性强，可以根据飞机的强度和刚度要求进行不同的设计，满足了无人机机架需要大面积成型的这一特点。 (3) 碳纤维耐高温、耐腐蚀、耐冲击，可对抗室外的恶劣环境。 由于四轴无人机在航拍时，需要满足高精度、低干扰、低噪声、小体积、高寿命等要求，因此根据其特点本文设计时决定采用无刷电机作为驱动装置。无刷电机转速应按照“大伏转速配小桨，小伏转速配大桨”的原则进行设计，即每伏转速越小，扭力会越大，可带动更大的旋翼，此时效率也会越高，震动噪声也会越小。所以此无刷电机采用每伏转速较小的无刷电机。 据此选用A28-15-6型无刷电机，其每伏转速780 r/min，直径28 mm，长度36.5 mm，重量86 g，工作电压4 V～10 V，工作电流28 mA，单个提升力达3 kg以上[4]。 10 kg以下无人机最常采用的是聚氢气电池+太阳能电池组合形式，因为它们具备高能量重量比，可实现小体积大能量，便于减轻无人机重量和增加续航时间，且在运行过程中不会产生脏污和环境污染。太阳能电池具备高转化率，且绿色环保，因此，将薄膜式柔性太阳能电池安装在机翼上； 四轴无人机作为无人机市场上最受关注的一种结构，其在航拍领域具有长期的研究价值。为满足航拍对无人机的要求，本设计采用mega2560芯片作为控制大脑，实现了交互通信技术； 未来在此基础上将对现有无人机进行进一步完善和优化，通过控制算法对无人机的动作姿态和不同环境下的性能进行分析，进一步探究无人机的更多用途和性能特点。
R1为旋翼半径；
vcritical为旋翼桨尖速度。旋翼阻力的发散马赫数一般为0.6～0.7，此时将桨尖速度初定为100 m/s左右，马赫数为0.65左右。旋翼半径为7.5 cm，此时可取转速为3 000 r/min。通过旋翼提升力系数计算公式(6)和桨叶实度系数计算公式(7)进行验算，可满足设计要求。
Crmax为最大提升力系数。3.3 四轴无人机机架材料选择
3.4 四轴无人机的电机系统设计
3.5 四轴无人机的电源系统设计
同时为了弥补太阳能电池受环境影响的缺点，采用氢电池进行辅助供电。
采用碳纤维复合材料作为无人机机架，使得无人机更轻便；
采用可变螺旋桨作为旋翼，保障了无人机飞行的稳定性；
采用无刷电机和聚氢气+太阳能电池，保障了无人机的续航。