阵列布局轻质结构十六旋翼飞行器

阵列布局轻质结构十六旋翼飞行器

简介：

能在超低空复杂环境中作业、可精确定点的低成本小型无人飞行器具有广阔的市场需求与应用前景，而现有成熟的旋翼飞行器负载能力一般不足2kg。我们提出并验证了通过增加旋翼数量来增大有效载荷的多旋翼飞行器设计方法, 优选出阵列式多旋翼布局，优化设计了轻质框架外伸梁结构，保证了定位精度，提高了飞行稳定性，增强了结构整体刚性。首次设计并实现了可以垂直起降、任务载荷达8kg、载荷重量比达0.4的十六旋翼飞行器。

产业应用情况:

 第五届全国大学生创新创业年会“我最喜爱的项目"与“创新项目”奖 ；

省级挑战杯大学生课外学术科技作品竞赛一等奖；

已经交付3台供上海交奉农业科技有限公司使用

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详细介绍：

1.【研究背景和意义】无人机在军事上早已获得广泛的应用，从小型单兵侦察用的微型旋翼飞行器,到大型的携带武器的攻击型飞行器掠食者，都是军用无人机实用的范例。而随着三轴陀螺仪等硬件和飞控软件技术成本的降低，越来越多的无人飞行器被用于婚庆和广告拍摄等民用领域，其中多旋翼飞行器以其起降场地要求小，飞行稳定等特点有极大的应用前景。一些高精度拍摄仪器重量是现有四旋翼飞行器无法负载（有效载荷仅有1-2kg）的。而现有的无人直升机成本约为20万元，高昂的成本是一般的用户难以承担的。多旋翼飞行器则是解决这一矛盾的途径之一。因此我们迫切需要设计制作一架具有6-8kg（包含了云台设备重量）大负载，成本相对现有无人直升机低廉的旋翼机，提供给市场。在本次飞行器设计当中，我们对载荷6-8kg多旋翼飞行器的实现方法进行了探索，为多旋翼飞行器的大型化进行了一些基础性的工作。 2.【飞行器类型选择】现在常见的无人飞行器的布局有：固定翼，直升机和多旋翼。固定翼布局的飞行速度快，航程远，负载能力大，结构简单，可靠性强。但其最小飞行速度高，无法在狭窄空域停留，使其难以充当稳定的监视/拍摄平台。直升机型的无人机能解决这些问题，但其机械复杂度高，在小型化后机械部件的成本相对较高，在50kg以下小型无人机中使用的并不多。相比之下，多旋翼无人机具有机械简单和操纵简便的特点，在50kg以下的航摄无人机中占了大部分。这充分说明在这些布局形式中多旋翼布局是满足我们设计要求的最佳选择。 3.【布局选型】根据多旋翼飞行器设计的要求和经验，我们提出了一系列可能的旋翼方案：四旋翼，八旋翼，十二旋翼，十六旋翼，二十旋翼。在以上动力布局方案中，我们需要考虑四个主要方面的性能以进行评估。综合考虑动力和结构的因素四旋翼飞行器的总重量最轻，八旋翼飞行器总重量最重，十六旋翼布局次之。综合考虑经济性、结构重量、载重效率等因素，四旋翼飞行器在续航力和载重量上有明显的优势，十六旋翼飞行器具有较低的成本，八旋翼飞行器不具优势。 4.【16旋翼布局的安全性分析】分别计算四到16旋翼布局下的故障概率。当单个旋翼出故障的概率达到7.1%时，四旋翼无人机不安全的概率明显的要大于八旋翼和十六旋翼无人机的不安全概率，此时，如果认为三个旋翼出故障则十六旋翼无人机即处于不安全情况，那么八旋翼和十六旋翼无人机不安全概率是相同的，据经验以及计算可知，特定的三个旋翼发生故障时是安全的，从而十六旋翼无人机的安全概率明显的高于八旋翼无人机。根据飞行经验，每一个旋翼出故障的概率是0.1%，从而可得十六旋翼的安全概率明显的高于八旋翼无人机和四旋翼无人机。 5.【结构设计与优化】我们决定摒弃现有多旋翼飞行器的悬臂梁结构，而采用传力性能更好的外伸梁结构。但是外伸梁的组合和布置同样是一件头疼的事情。多组旋翼之间的传力协调是十分重要的，这直接决定了飞行器在飞行过程中的静稳定性和动稳定性。为了达到旋翼之间的传力协调，就必须采用对称式的结构布局，那就必须采用几组对称的外伸梁结构。我们参考了许多对称的梁结构布局，但是都没能很好地解决结构的设计问题。一次我们在食堂吃饭的时候，发现食堂的天花板上的梁都是呈井字形的对称网格结构，我们由此受到启发，决定尝试井字形的对称外伸梁结构。这样做不仅摒弃了现有多旋翼飞行器悬臂梁的结构，同时由于井字形的框架结构使得每个旋翼上的力都能够通过节点更好地传递给飞行器的各个结构部件，大大提高了了飞行器内部的传力效率。 但是井字形梁中间是矩形环，容易在节点处产生剪切变形，对整个结构的刚度造成较大的影响。由此我们决定在井字形框架结构的基础上引入两根贯穿井字的两根斜梁，使得中间的环形结构成为桁架结构，这样使得在保证结构的高传力效率地同时，能够更好地保证内环的刚度。 6【试飞测试项目】分别进行了单个动力系统拉力系统测试、结构强度测试、初步飞行测试、航线测试、升限测试、续航时间测试。 7【结论】 通过调研，我们提出了一种载重8kg的航拍多旋翼飞行器的设计需求。经过一系列标准的飞行器选型和设计流程，我们发现十六旋翼飞行器布局具有明显的飞行稳定性、安全性和成本优势，选择其作为我们多旋翼飞行器的布局方案。在详细设计我们为其设计了轻质的框架外伸梁结构，显著优化了其重量/载荷比。经过性能测试和具体航拍使用，该多旋翼飞行器被证明达到了设计要求。在以下几方面取得创新成果： 1.提出并验证通过增加旋翼数量来增大有效载荷并提高稳定性的多旋翼飞行器设计方法,首次设计并实现了任务载荷8kg的十六旋翼飞行器; 2.优选出阵列式多旋翼布局，保证定位精度，提高飞行稳定性； 3.针对阵列式十六旋翼布局，优化设计了轻质框架外伸梁结构，增强结构整体刚性，提高飞行器载荷重量比。 本发明具有以下技术特点和优势： 高稳定性、可垂直起降、具有高精度的定点悬停能力、任务载荷达8kg、抗风性能好、可贴地飞行、安全可靠。 1.与固定翼无人机相比，对起降场地要求小，低空飞行安全性高； 2.与无人直升机相比，可靠性高、成本低、安全性好，可在超低空复杂环境中执行任务； 3.与成熟的四旋翼飞行器相比，在维持较低成本的前提下，可实现8kg任务载荷，多项关键性能均明显提高。 作品适用于超低空复杂环境中的信息采集及高精度空中作业。如抢险救灾、巡逻警戒、低空侦察、河流水位线监测、高精度农药喷洒等。能够在超低空复杂环境中作业的、可精确定点的高性价比小型无人飞行器具有广阔的市场需求与应用前景。国内载荷2kg以内多旋翼飞行器市场总规模约4.2亿元人民币，鉴于本作品在成本及性能的比较优势，如果能占有该市场的20%，则可有8000万左右的年产值。本组品将多旋翼飞行器的任务载荷从2kg提升到8kg，拓展了多旋翼飞行器的市场覆盖能力，且在2kg-8kg任务载荷范围内开拓了一个独占性市场。