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灵巧的“迷你大黄蜂”无人机

发布时间:2019-01-04 01:06:04 文章来源:未来智讯    
    灵巧的“迷你大黄蜂”无人机作者: 姜浩 丛语   在201 4年“尖兵之翼”无人机大会现场,记者见到北京天宇航空科技有限公司尹鸿俊工程师,据尹工介绍,他们设计有一款外形简明流畅的飞翼式布局小型无人机,这款名为“迷你大黄蜂”的小型无人机具有极佳的便携性和易操作性特点,十分灵巧,那么其便携性和易操作性是如何而来、怎么体现的,为此本刊记者在展会现场采访了天宇创通公司尹鸿俊工程师。
  本刊记者(以下简称记):尹工您好,最初请您大略介绍一下这款“迷你大黄蜂”无人机的概况。
  尹鸿俊工程师(以下简称尹):我们研制这款小型无人机,定位相当明确,便是要开发一款可以携带单反相机的便携测绘无人机。民用无人机自2008年国内汶川地震之后起初在国内兴起,但受制于人工起降的方式,大局部潜在用户,包括已经采购了传统布局的无人机的用户,觉得操控手的培训周期长,人工费用高,再加上使用两冲程发动机作为飞机动力装置可能会造成熄火迫降或坠机问题,存在一定风险性,对于无人机使用有一定顾虑,一些潜在用户甚至最后放弃选择使用无人机。另外还有一个现象,国内一些单位采购的时候,贪大求全,不考虑飞机的实际使用,购买的无人机起飞重量超过18千克以上,甚至达到30千克以上,这么大一个无人机重量,而有效载荷又仅仅是一台单反相机,有的单位整机采购费用百万以上,最终造成的实际结果便是不敢用,用不起。
  为什么会有这个结果?道理并不深奥,飞机的起降速度必须高于飞机的失速速度,而高速起降在受限制的场地条件下,人工起降无法实现,而如果选取自动起降,对设备要求很高,这些矛盾实际影响了无人机的推广使用。基于这样的认识,我们决定研制一款“傻瓜化”的小型无人机,为此提出了具体的目标,包括要求可以搭载单反相机;可以便携、普通轿车携带;可以自动起降,不需要跑道;操作大略,无需复杂技能培训便可掌握。
  根据这些需求我们推出的样机,命名为T10“大黄蜂”测绘/应急无人机,该机选取无尾飞翼布局,飞机刚推出的时候样子还相当传统,有点像法国早期的“幻影”战斗机的样子。在实际试飞使用的过程中,电动机/发动机的安装位置,电动机的大小、电压,螺旋桨直径,巡航飞行速度,垂尾/小翼的位置布局和大小,翼展/机翼面积/后掠角大小,进行了多轮试飞和调整,飞机的气动布局不时得到优化,这便是如今各位在展会上看到的“迷你大黄蜂”无人机。
  为何选取飞翼布局
  记:为何这款无人机设计了飞翼布局?
  尹:因为需要便携,飞机的体积就必须要小,起飞重量需要小于6千克,才可能手持弹射起飞;由于需要搭载具有一定测绘精度的单反相机,飞机小而载荷相对较大,这种情况下必须提高飞机的结构效率,降低飞行阻力;同时为了降低对使用者的要求,降低对使用环境的要求,必须使用伞降回收;而飞翼布局有其优点,如同样重量下有较高的结构效率,同样的巡航速度下阻力小,伞舱后面没有任何可能挂住伞的结构,使之成为这个设计要求下的不二之选。
  记:飞翼布局,因为阻力较小,它的飞行速度对照快,会不会不利干航拍?
  尹:对于飞翼布局,很多客户都会提到这个顾虑,巡航速度是不是有点高了?经过我们实际的飞行测试和用户实践,在满载7.8千克的飞行状态下,人工操作能够保持50千米/小时的速度飞行,自动驾驶仪能够使用65千米/小时的速度巡航飞行,按照75千米/小时的巡航速度飞行,也大大低于目前绝大多数航拍飞机100千米/小时的巡航速度,这对于航测飞行要求是相当有利的。
  记:您提到“迷你大黄蜂”动力是电动机,请问电动机是否没有油动机有力,电动飞机抗风性会不会较差一些?
  尹:这疑虑有其合理局部,但不完全准确。飞机的抗风本能体如今三个方面:第一,是飞机的最大平飞速度;其次是最大持续平飞速度下发动机的功耗;第三是自动驾驶仪的抑制方式和策略。从飞机本能来看,我们的无人机持续平飞速度最大状态下能够达到170千米/小时,在此速度下飞机的功耗惟有1200瓦,比普通50毫升的油动航拍机140千米/小时最大持续平飞速度下小很多。电动的缺点在于在最大持续平飞速度下,航时会缩短很多,而油动飞机在最大油门条件下,航时也会有较大缩短,但不如电动机那样显著。根据我们的测试,在120千米/小时的飞行速度下,T10的航时为40分钟;反之,油动版的T10在最大持续平飞速度条件下,同普通航拍机相比优势就相当明显了,因为它阻力小,所以续航时间能够更长一些。
  记:“迷你大黄蜂”无人机具有对照好的高低速度特性,这是由哪些设计因素决定的?
  尹:飞机的低速特性取决于很多方面因素,包括翼载荷,展弦比,机翼气动扭转,所选择的翼型的失速特性,机翼前缘加工质量,飞机表面质量,等等。而影响高速特性的因素也很多,与翼载荷、升力面积分布、飞机的表面粗糙度、飞机各部件之间的关系(干扰阻力)、机身机翼的型阻等,都有很大的关系。以我们这架无人机为例,最初看翼载荷,它选取翼身融合结构,机翼面积达到0.94平方米,基本跟国内15千克到20千克的常规布局航拍飞机机翼面积非常,而飞机整机重量惟有7.8千克,小了一半。为什么重量减小?这有很多原因,譬如,有一个叫做滚雪球效应,当飞机结构重量和飞机的需求功率减小时,发动机及发动机所需油料,或者说电动机及电动机所需电池减小,反过来又影响所需承担这些重量的机翼面积。如果反过来,增加机翼面积、增加结构,对发动机和油料又提出了要求,导致重量滚雪球上升,这便是各位所熟知的飞机设计和加工的口号:“为减轻每一克重量而奋斗”的实质。
  从阻力角度来看,得益于现代的三维设计软件,T10用翼身融合结构,调整了整机沿X轴向(机身纵轴)的截面积分布和机翼机身之间的融合和过渡,使气流可以尽量不产生过快的收缩和扩张而导致分离;升力面积的分布,按照椭圆升力分布设计削尖比,将垂尾作为翼尖小翼设计,降低诱导阻力。前面所提到的更低的翼载荷,以及使用数控机床成型的高精度模具和真空袋压的加工复合材料成型工艺保证形状精度和表面粗糙度最低,使整机阻力降低至80千米/小时巡航速度下,只需要300瓦的输入功率,这个数据是我们通过机载电流电压表测量得出的。从自动驾驶仪的角度来看,我们做了大量事务,在四五级风力条件下,很多人认为电动飞机没法飞了,然而T10在六级风力条件下,仍能以80千米/小时的巡航速度在风中飞行,给人印象极为深刻,主要原因是使用了高精度的磁航向和完善的抑制策略,保持飞机在空中的位置,始终对准打算飞行方向。   机身材料以及起飞和回收方式
  记:“迷你大黄蜂”在材料上,有什么特点?
  尹:材料上使用的是蜂窝夹芯材料,这个材料也在目前欧直公司EH101重型直升机旋翼上得到使用,包括首次环球不加油不着陆飞机的“旅行者”号也是使用了这种材料。另外,我们无人机上海使用了真空袋压成型,对重量抑制起到了很好的作用。
  记:“迷你大黄蜂”有哪些起飞方式?
  尹:起飞方式选取了橡皮筋手持弹射起飞或弹射器起飞,前者方便携带,后者对于低温、高原和未经培训人员更有优势。
  记:选取弹射起飞的话,弹射器的动力从何而来?
  尹:弹射器的动力来源于橡筋蓄能,选取手动绞车拉紧,离轨速度达到了22米/秒。经过几年不时测试,我们多次重新设计,弹射器的重量已经能够由首先的32千克降低到18千克,由于高原和低温的要求,弹射器又增强到23千克,能够折叠成小于1.2米的长度,可以放入普通轿车的尾部或者航空托运。
  记:“迷你大黄蜂”如何回收?
  尹:伞降回收。
  记:翼端的小翼为何下垂?
  尹:能够在无人机回收的时候起到作用,大多数时候,翼稍小翼是向上翘起来的,如今让它们反过来形成向下安装,能够满足伞舱在机腹顺利开伞的需求,而这一设计与以色列的“鸟眼”650无人机很相似。
  应用
  记:“迷你大黄蜂”得到实际应用了吗?表现如何?
  尹:我们的无人机产品目前已经有14个客户,其中有8个是测绘用户,4个教育客户,1个森林防火客户,1个电力巡线客户,共计有四十多套设备加入实际使用。我们的无人机在实际使用中,曾在海拔3800米高度下起飞,爬升至海拔4500米作业飞行;同时完成了零下20度条件下起飞作业飞行。由于对于场地几近零要求的特性,我们的无人机曾?2011年同电力部门在华北实现了山区巡线飞行,在山区沿着山形起伏飞行,拍摄电力线路的情况;实现过从A点起飞,在30千米外的B点下降的穿越飞行记录。
  目前我们除了为用户提供全程自控飞行操作模式外,另外还为用户提供了姿态遥控的抑制模式,我们又称为半自动模式,即空速和高度由自动驾驶仪抑制,人工摇杆输入的是滚转角,而不是副翼舵量;在该模式下,我们能够让客户实现当天接机,当天客户自己指引飞机进场开伞下降,使无人机系统的易用性得到极大提高。
  记:“迷你大黄蜂”未来是否有一些改进升级的规划?
  尹:这个是要根据实际使用进行改进,我们目前正在分析使用的情况。
  记:感谢您接受我们的采访。
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