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便携折叠式民用多功能无人飞行平台的整机设计

便携折叠式民用多功能无人飞行平台的整机设计 本文关键词:折叠式,多功能,整机,飞行,设计

便携折叠式民用多功能无人飞行平台的整机设计 本文简介:摘要:本文介绍了一种民用多功能便携式无人飞行平台的设计与制作思路。该飞行器采用了3段式机翼折叠方式,2段式机身折叠方式,具备搭载侦测设备及传感器等对地面及管线进行实时监测。其维护简单,使用方便,成本低廉,可以节省大量的资源及人力。关键词:无人机;多任务平台;便携式中图分类号:V279+.2文献标志码

便携折叠式民用多功能无人飞行平台的整机设计 本文内容:

摘要:本文介绍了一种民用多功能便携式无人飞行平台的设计与制作思路。该飞行器采用了3段式机翼折叠方式,2段式机身折叠方式,具备搭载侦测设备及传感器等对地面及管线进行实时监测。其维护简单,使用方便,成本低廉,可以节省大量的资源及人力。

关键词:无人机;多任务平台;便携式

中图分类号:V279+.2 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2017)43-0071-03

随着无人机技术的快速发展,其应用迅速从军用进入了民用。自一开始的军用“靶机”到如今的专业级商用无人机和消费级个人无人机,民用无人机迅猛的发展势头让一大批诸如大疆、零度指控、极飞科技、亿航智能的科技公司受益匪浅。如今我国的小型无人机制造业已经占据了全球70%以上的份额,但是,涉足民用多功能无人飞行平台这一领域的却显得略为冷清。

一、应用前景

1.天然气及石油管道巡查。随着我国现代化建设的不断加强,社会对能源的需求在迅速增加。我国目前已有大量的天然气及石油管道,这些管道距离长、跨度大,且绝大部分都是途径野外,甚至沙漠、沼泽等地。一旦发生火情或灾情,就会造成重大经济损失,故急需消防部门具有远程、即时的监控能力,机动、快速的扑灭能力。

2.电力巡线。随着我国经济快速发展,对能源的需求越来越大,超高压大容量电力线路正大幅扩建。到2020年,中国将建成15个特高压直流输电工程,并成为世界上拥有直流输电工程最多、输送线路最长、容量最大的国家。而输电线路跨区域分布,点多面广,所处地形复杂,自然环境恶劣,输电线路设备长期暴露在野外,受到自然侵蚀以及人为因素的影响而产生倒塔、断股、磨损、腐蚀、舞动等现象,这些情况必须及时得到修复或更换。而人力巡线费时费力,故而无人机巡线大有可为。

3.森林防火。当发生森林火灾,尤其在森林火灾发生时火场上空能见度低,即使是航护飞机能达到火场上空,观察员也无法详细观察到地面火场情况,而在这种情况下飞行又存在着安全隐患。无人机能克服航护飞机的这一不足,通过搭载摄像设备和影像传输设备,可随时执行火警侦查和火场探测任务。无人机可以全天候地在空中对林区进行勘查,及时发现火情、报告火场位置、采取行动将火灾消灭在初期;无人机配备热敏设备,按预定航迹对林区进行空中巡查。并将空中巡查获取数据实时传回地面测控站,地面测控站将实时图像通过网络传给防火值班部门。对于可疑点或区域,通过遥控指令可改变无人机飞行航迹及飞行高度进行详查,详查图像通过无线链路实时传回地面。对已出现火情的地区进行空中火情态势观察,使灭火指挥部门迅速有限组织、部署灭火队伍,提高灭火作战效率,防止救火人员伤亡。

4.边境巡查。在环境极其恶劣的边境地区,无人机能有效地代替边防士兵进行边境巡逻,减少士兵在恶劣环境下的作业时间,提高边境巡逻效率。另如在环境监测、植物保护、紧急搜救、影视业、房地产及测绘等领域有十分广泛的应用前景。

二、试验原型机

本文所介绍的无人飞行平台是以大容量锂电池为动力的固定翼无人机,采用半自主遥控飞行模式,其结构简单、性能可靠、安全性高。相比传统的固定翼无人机,该机使用了三段式折叠冀,两段式折叠机身,缩小后的体积可以到达不超过1600MM,便于运输管理。其起飞方式即可滑跑也可手抛,满足了多种地形的使用需求。该飞行平台亦可搭载多型设备,配合地面站完成多种任务。

三、整机系统设计

1.对于翼型的选择设计。因该型无人机需搭载较多的监测传感设备,且需有一定的巡航留空能力,故而在多方考虑后选择了低雷诺数下高升阻比的翼型。我们选取了固定翼较为常见的5种翼型并对其采用xflr5进行比较分析。

原型机预计特征长度为1600CM,平均弦长35CM,空载重量为1200G,巡航速度12M/S。简单计算得出其巡航时雷诺数约为285000,升力系数约为0.25。

由图1可知,当迎角在较小范围内,Benedek 10355 B翼型具有较好的升力系数。当迎角超过10°后,Benekek 10355 B其升力系数达到最大后开始下降,而CLARK Y翼型则保持较好的升力系数。这一数据说明CLARK Y翼型具有较好的迎角范围,不容易失速。

由图2可知,CLARK Y翼型在迎角为10°时其阻力系数最小。NACA 009翼型在负迎角范围内阻力系数最小。

由图3可知,在不同迎角下,CLARK Y翼型都具有良好的升阻比。其气动性能经过XFLR 5优化后可达到最大升力系数下限1.0;最大失速迎角>10°。考虑到较极端天气下的工作环境,我们选择安全性较高的CLARK Y翼型作为我们飞行平台的机翼翼型。

2.对机身及机翼折叠机构的设计。折叠机翼的目的是为了便于运输、携带、和管理。国内外近几年来对折叠翼飞机有了许多研究,国外大多采用“Z型”折叠翼。例如LOVE等介绍了洛克希德·马丁的变形机翼飞行器,该飞行器采用了一种“Z型”折叠翼;对此,Snyder等对机翼进一步做了振颤和振动特性分析,Tang等研究了其气动特性;Wang等对不同数量翼面的折叠翼飞机模型的气动弹性和结构动力学做了相关研究。但是“Z型”折叠翼结构复杂,维护成本高,所以选用了常规的三段式两侧折叠翼的折叠方式。

对于机翼的折叠机构,考虑到“Z型”折叠翼的缺点和该无人飞行平台的工作环境等因素,最后在机翼下翼面采用了合金弹簧合页作为连接,机翼上翼面采用金属卡扣作为固定装置,对机翼翼梁用碳纤维环氧树脂增强体复合材料来加固,以确保机体强度。

对于机身折叠机构,在机腹后端采用金属卡扣作為固定装置,机身背部后端以合金弹簧合页作为连接,接触的两个断面用复合材料加强,保证机体强度。

3.对于控制系统及动力系统的选择。通过多验证原型机的实验,搭载设备后的整机重量在1.7KG左右。为了保证飞行平台的长航时和安全可靠,选取了两个朗宇X2216,KV1250的无刷电机作为动力源,其拉力测试表见表1。

根据测试表中的数据,为了提高电机效率,增加巡航航程与留空时间,选用9050浆,60A银燕无刷电子调速器相搭配作为动力输出组,选用3S 10000mA/H的锂电池提供动力支持;另外还需5颗银燕9克金属齿舵机、与电子接收机作为传动控制系统;使用PIX飞行控制芯片与地面站配合组成飞行控制系统。

四、整机机体结构与外形设计

首先利用solodworks软件进行整体三维建模,并进行简单的有限元计算。对于应力集中的结构件进行优化设计及标注。然后将solodworks的三维图形分解为二维平面图形并打印图纸,利用aotucad軟件进行二维排版并使用大型激光切割机切割部件。其后按照设计图纸将各个部件进行搭建粘接。搭建粘接的步骤从易到难:从机尾到机翼然后到机身。搭建粘接完毕后对整机进行打磨蒙皮,安装电子设备。最后是折叠机构的安装与连接。

五、搭载设备的选择与安装

该飞行平台可搭载500—1000G的设备进行作业。安装高清摄像机及Amimon CONNEX数字图像传输系统时,能在100米的高空对地面进行精确监视并实时回传图像。实际测试中,该图传设备在3KM内的范围内能稳定工作。且该飞行平台在不同的任务需求中,可选择更换所搭载的设备进行作业。例如搭载热敏烟敏设备进行森林防火巡查,搭载红外设备进行边境巡查及野外搜救等。

六、实际测试

在测试场地选取不同地形的场地,地面摆放50×50cm的正方形标靶,标靶上写有阿拉伯数字及字母。在离标靶1000米处用无人机在百米高空查看地面,可以准确看到标靶上所写数字。

七、结论

本文主要介绍了一种民用的多功能无人飞行平台的设计思路,并从前期论证讨论到后期试验机的设计制作以及最后的实际测试做了简要的论述。无人机应用前景广阔,能有效担任浪费人力资源的一些工作,提高工作效率,节省资金。其次,对目前常用的固定翼无人机翼型进行了分析比较,选出了CLARK Y翼型,但是对于翼型的优化设计还有待进一步的学习提高。最后对于该飞行平台的测试只是进行了不同时间不同地形的场地测试,对于较极端环境的测试评估需要做更多的研究。

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