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浅析多旋翼无人机系统技术改进

发布时间:2017-12-07 09:09:00 文章来源:未来智讯    
    摘 要:近年来,多旋翼无人机发展迅速,因操作简单、携带便捷、成果多样,被广泛应用于国家发展建设的多个领域。该文从多旋翼无人机全系统出发,依次提出了动力系统、机体主要承力部件、后期数据处理、信道通信和任务云台等方面限制多旋翼无人机发展的诸多瓶颈问题和现有不足,并针对以上问题进行具体分析和技术研究,同时提出技术改进意见。
    关键词:多旋翼无人机 发展瓶颈 技术改进
    中图分类号:V27 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2016)03(a)-0013-04
    Technological Improvement of Multi-Rotor UAV
    Jin Yuyang Wang Zhichao Qu Yichun
    (61206 troops,Dalian Liaoning,116023,China)
    Abstract:Recent years, multi-rotor Unmanned Aerial Vehicle develops fast and has a wide range of applications in national development and construction. Aiming at a series of developing bottlenecks of multi-rotor UAV, this paper expounds technological researches and puts forward suggestions of dynamic system, main load-bearing components, post data processing, channel communication and pan-tilt platform for improvement.
    Key Words:Multi-rotor UAV; Developing bottlenecks; Technological improvement
    多旋翼无人机具有完成任务多样、体积小、重量轻、方便携带和运输等优点。该型无人机可以拍照、摄像,成果可以生成三维模型、正射影像,还可以通过后期软件进行成果的二次应用[1]。但在多旋翼无人机迅速发展的同时,诸多制约发展的瓶颈问题愈发的凸显,这些问题将在该文列举和分析,并提出改进意见。
    1 动力系统
    多旋翼无人机均采用电池供电,续航时间是20~50 min,挂载1 kg以上的任务云台,飞行时间会明显减少至15~30 min。如图1所示多旋翼无人机的4种通用电池。
    多旋翼无人机依据目前的技术水平只能采用电池供电,通过电池带动高性能电机和螺旋桨旋转,以产生足够飞机飞行机动的动力。目前电池供电的问题是飞机滞空时间短,这个问题制约了飞行效率,只能依靠多架次的飞行来弥补。
    1.1 增大电池容量的可行性分析
    (1)从安全层面考虑,大容量电池现在受到多重制度管制,公共交通运输工具不允许携带容量大、放电能力强d的电池;一般电池生产厂家也不允许生产过大容量的电池,所以从制度层面是不可行的。
    (2)增大电池容量会线性增加电池的重量,进而直接增加飞机的起飞重量,飞机的起飞重量一旦增加,续航时间就会显著缩短。
    所以,简单的增大电池容量是不可行的。
    1.2 采用燃油动力系统的可行性分析
    化石燃料热值高,作为燃料会极大地增强飞行器的续航能力,然而多旋翼飞机很难像固定翼飞机一样采用化石燃料提供动力。原因在于,固定翼飞机以燃油产生的能量需要通过1套或2套传动装置带动螺旋桨旋转,进而产生飞行动力。多旋翼飞机,以六旋翼飞机为例,如果采用燃油发动机,就需要6套传动装置同时连接发动机获取动力,进而带动6个螺旋桨旋转产生飞行动力。多套传动装置的重量极大地增加了起飞重量;传动过程中齿轮间摩擦带来的能量损耗极大地降低了发动机的工作效率,所以,燃油发动机做了大量的额外功、效率低下,同时也无法满足无人机小型化的发展趋势[2]。
    综合以上的分析,动力系统的改进必须依靠高性能电池的发明和生产,重量轻、容量大的电池必然会带来多旋翼无人机领域的革命。
    2 机体主要承力部件
    飞机材料的受力强度是检验飞机性能是否可靠的重要指标,也是飞机能否安全飞行的重要保障[3]。飞机的强度主要体现在电机的强度,电机与飞机臂连接座的强度,飞机机体的强度,这3个位置是飞机飞行的主要受力部位。以上部位一旦出现问题,飞机轻则降落受损,重则坠机。
    2.1 影响电机强度的因素
    2.1.1 电机旋转不共面对电机强度的影响
    电机经过一段时间的使用会出现转子松动,使电机的旋转不在同一平面上,导致螺旋桨做额外功,降低工作效率,还会导致转子与电机周边发生磨损,使电机越旋转越不共面,越工作效率越低。所以,电机质量是非常重要的,而且飞机在每次飞行前都必须对电机进行共面检查。
    2.1.2 电机安装不水平对电机强度的影响
    电机的安装是无法保证绝对水平的,旋转着的不水平的电机产生的升力不是垂直向上的,会产生较大的水平方向的分力,飞机的飞行控制系统就会自动调节,6个电机的转速,使飞机整体时刻保持平衡状态,这种调整就会使各电机的转速明显不一致。长期地转速不一致和螺旋桨不水平旋转会导致个别电机出现转子松动的现象。
    综合以上两部分的分析,多旋翼飞机的一个优化方向就是出厂前应该做好电机的水平调整,并且一旦调整水平就紧固。用户在使用时只需组装螺旋桨,不需要调整电机和电机座,这样提高工作效率的同时也延长了飞机电机的使用寿命。如图2所示,飞机每一次飞行前需用水平尺调整电机水平。
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