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关于小型无人机的研究与分析

发布时间:2018-06-04 01:08:00 文章来源:未来智讯    
    【关键词】小型无人机 外形 人机工程学
    一、无人机现状
    自上世纪初期无人机发明以来,在很长一段时间之内并没有引起人们的广泛关注和认识。1907年诞生了第一架旋翼式直升机,它是以水平十字交叉分布的四个旋翼组成的直升系统作为动力机构,通过两对旋翼的相反旋转运动进行上升和下降的机体运动。但是这架飞机并没有真正的上天,只是开发出了这一四旋翼的理论,为今后这一系列的飞行器的发展奠定了理论研究基础。小型飞行器的重大变革产生于20世纪80年代,信息时代的技术支持,人们对于飞行理论的不断探索,以及新材料新技术的不断进步,使得人们重新重视起了四旋翼飞行器,以及多轴无人机的后续研究。
    近年来,科技的不断研究发展使得无人机的技术日趋完善,从生产成本的不断降低,到容易操作,且保养维护容易,人工损耗低等优点可以看出,无人机在当下科技生活的理念中将会越来越有价值。那么作为加载了拍摄设备的小型无人机,即航拍无人机的前景,势必会十分广阔。
    二、外形机构分析
    如今国内无人机市场广受好评的多轴无人机,主要拥有四轴、六轴、八轴几种动力方式。四轴无人机的动力原理灵感源于蝴蝶,即其旋翼布置方式以十字交叉旋翼原理为基础演变的非公轴式蝶形结构为主,能够在四个输入力的基础上实现六自由度的运动,即可以进行xyz轴位置运动以及横滚,滚转,俯仰运动。由此可知,四轴飞行器在飞行状态下,不考虑气流等外界因素的左右下,除了z轴方向的运动外,其他的运动均会使机体发生倾斜,在一定情况下,会对固定式拍摄设备的功能造成一定的影响,形成视角的限制与抖动。所以目前四轴飞行器的云台多为分离运动,且拍照设备可实现独立多方向多角度的运动,在同一CPU的运算下,可以通过信息技术进行拍摄设备与动力系统的配合运动,以便保持特定角度的稳定拍摄,而无需考虑机体运动所造成的影响。
    在无人机的造型设计中,在满足动力学理论的基础下,人机工程学也同样重要。现有四轴航拍无人机的形态充分运用了蝶翼的结构,两个机械臂可以听从遥控设备进行多向运动。机体使用虫体结构,便于在搬运时进行提拉,流线型也十分柔和。支撑架与轴同步,且可收放,充分体现了该款无人机的灵活性和科技感,给人带来高端且平易近人的视觉感受。
    同样,在视觉表达中,形态固然在产品的整体把握中占有相当大的比重,色彩同样是直观表达的一个因素。如该款产品在配色上选用了纯黑色,这样带来一种刚强、神秘的感觉。纯色在视觉表达中往往是表达一种强烈的设计理念,即抛弃对比色,或是与环境色形成对比,凸显出自我想要表达的视觉感。
    三、现有产品分析
    经过分析,可列举如下几点:
    由于航拍无人机的动力来源是电能,现有民用离网供电方式主要是通过蓄电池进行放电,所以电池所配置的位置需要进行考量,即是使用装配电池还是机内电池。机体壳需要相当的稳定性,也就意味着可以类比为电脑的主机箱,若是使用装配电池的话,收纳部需要足够的坚固遮挡,且在停机时还要便于拆卸。
    无人机作为一种飞行器,螺旋桨轴处的机械臂需要足够牢固稳定,但又要可以服从控制指令进行灵活的变动。
    支架要足够稳固,而且要收放自如,且在工作时不会妨碍到相机的工作。
    外型上要充分考虑到机体各个部分在摆放和搬运时的状态,是否符合国家标准和人机工程学的要求。
    四、电机电路分析
    以上是对于设计方案中航拍无人机的系列机械参数进行的汇总计算,而动力系统才是作为提供航拍功能的保障。由于设计的是四轴飞行器,所以本机的动力系统分布在机体的四个顶角,为机体的最远端,飞行器的三维参数便可以由期望的轴距来确定。轴距可以设定在500~600mm范围内,本品采用600mm的轴距,机体三维最大尺寸参数为60cm60cm40cm,搭载云台后动力载重最大需要达到2500g,电池则选用22.2V,4500mAh的专用航模锂电池,约为670g,且电机的自重能够达到400g,所以最大起飞重量将会达到3570g,这就需要电机提供高额的拉力,所以对于电机的选用,由于低kv值的电机配合大的螺旋桨,可以提供很大的升力,可以进行稳定的载重飞行,而高kv值的电机配合小的螺旋桨,可以获得更快的飞行速度。电机可以选用适用6S电池的DJI E800 3510H无刷电机,最大功率约为500W,电调设置为40A,6S LiPo电压,则单轴可提供最高2.5kg的拉力。
    螺旋桨拉力计算公式为:
    在最大轴距的情况下,可以选用DJI1345的螺旋桨,即该螺旋桨拥有13英寸的直径,螺距是4.5英寸,其桨宽为1.5英寸,经单位换算,乘积为1437,基本满足计算要求。而对于旋转外壳进行变换轴距的操作后,随着轴距的缩短,更换直径更小的螺旋桨,如12英寸、10英寸等大小的螺旋桨,可以在轻量载重的情况下进行更快速的飞行,以完成其他类型的航拍任务,或是节省功耗,保护电源和电机。
    五、结语
    综上所述,在对于无人机的分析中,需要分析应对现有产品的外形单一的问题,虽然同轴数无人机在形态方面由于物理方面的原因从而导致其可创新程度不高,但其可实现的形态功能方面有很多值得创新之处。针对本章对现有产品的分析与调研结果,可在外观形态的改变中,运用人机工程学与设计艺术学原理,灵活加入功能性外形的设计,从而达到对其外形的创新设计。
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