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简述多旋翼无人机总体设计思路

2022-3-23 15:39| 发布者: ikrghlhh| 查看: 600| 评论: 4

摘要: 1总体参数设计1.1 起飞重量起飞时,多旋翼无人机必须能产生大于本身重力的升力,才能使多旋翼无人机离开地面升空。由于多旋翼无人机只能产生有限的升力,因此多旋翼无人机本身的总重必须受到限制,以保障能够正常起 ...

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总体参数设计


1.1 起飞重量


起飞时,多旋翼无人机必须能产生大于本身重力的升力,才能使多旋翼无人机离开地面升空。由于多旋翼无人机只能产生有限的升力,因此多旋翼无人机本身的总重必须受到限制,以保障能够正常起飞离地,即机体结构重量和航电设备的总和。


1.2 有效的载荷


是指多旋翼无人机上装载的,为直接实现机体运行要完成的特定任务的仪器、设备等,有效载荷尺寸的大小,直接影响多旋翼无人机的机体总体尺寸。例如,摄像头,吊舱等。


1.3 轴距


多旋翼无人机多采用均布式位置分配方式,对称位置上电机输出轴距离是影响多旋翼无人机总体尺寸的重要因素,在总体参数设计时需要考虑轴距计算是否合理。参考多旋翼无人机对称电机轴距经验公式:[2]



式中:a为螺旋桨尺寸,单位为in;b为换算单位,1in=25.4mm;e为电机系数(根据电机kV值选取经验值)。


1.4 桨尖距离


支臂相邻的两副螺旋桨之间的气动干扰是多旋翼无人机的最大弊端。正对着自由来流的两副螺旋桨彼此之间气动干扰最剧烈,作为多旋翼无人机的典型状态,应计算其相互之间的气动干扰。桨尖间距评估,可以得出相邻螺旋桨最佳的桨尖间距,以六旋翼无人机算例评估,最佳相邻螺旋桨桨尖间距为0.2R。[3]


1.5 重心位置


在设计时,必须将重心设计到多旋翼无人机的中心轴上。有以下两种重心布置方式,其一,如果多旋翼无人机重心在桨盘平面下方,在前飞状态下,诱导的来流会产生平行于桨盘平面的阻力。阻力形成的力矩会促使多旋翼无人机俯仰角减小,表现为控制迟钝。其二,在前飞状态下,若多旋翼无人机重心在桨盘平面上,那么阻力形成的力矩会促使多旋翼无人机俯仰角比较发散,其表现为,控制灵敏,机动性高。[4]


在结构上,重心向下和重心向上,都会引起额外的阻力力矩。造成多旋翼无人机的不稳定。这样就需要通过反馈控制来调节多旋翼无人机的平衡。如果重心在桨盘平面很靠上的位置,会使多旋翼无人机某个运动模态很不稳定。因此,实际中建议将重心靠近多旋翼无人机的中心,或者根据需求可以稍微靠下,这样飞控控制起来更容易些。



1.6 飞行时间估算


根据相似机型飞行经验,多旋翼无人机在x(kg)起飞重量下正常飞行所需功率在(w),然后根据所选动力系统的电池组估算飞行时间,例如:2块6s,22000mah的电池所能产生的最大功为2*6*4.2(v)*22(A.h)=1108.8Wh,多旋翼飞行中,电池一般留有30%的余量,电池所能释放的有效功=1108.8*0.7=776.16Wh,有效飞行时间(min)为公式为:



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旋翼系统选型设计


2.1 螺旋桨


螺旋桨是产生升力的关键部件。其中电机、电调和螺旋桨合理的搭配与设计,可以在相同的升力下耗用更少的电量,这样就能延长多旋翼无人机的续航时间。选择最优的螺旋桨是提高续航时间的一条捷径。[5]



1)型号 


假设螺旋桨在一种不能流动的介质中旋转,那么螺旋桨每转一圈,就会向前进一个距离,就称为螺距。显然,桨叶的角度越大,桨距也越大,角度与旋转平面角度为0,桨距也为0。螺旋桨一般用4个数字表示,其中前面2位是螺旋桨的直径,后面2位是螺旋桨的螺距。比如:1045桨的直径为10英寸,而螺距为4.5英寸。 


2)桨叶数 


有实验表明,对于多旋翼无人机,2叶桨的性能最优。[6]


3)安全转速 


因为多旋翼无人机所使用的螺旋桨都具有一定柔性,所以超过一定转速后,螺旋桨就会发生形变,效率也因而降低。安全转速的计算,要保证在所有可能工况下不超过最高允许转速。


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动力系统的选型设计


3.1 无刷电机


最先需要考虑的就是其使用的多旋翼无人机的整机重量,需要根据整机重量选择电机的最大拉力(需要匹配螺旋桨)。整机重量最好不要超过电机拉力的五分之二(即电机最大拉力要大于整机重量2.5倍),因为多旋翼无人机除了上升的动作外,还需要完成前进后退,左右横滚,极速前进等动作,并且在有风的环境中需要克服风的阻力。


其次需要关注的是电机的KV值,KV值是每1V电压下电机每分钟空转转速变化率。相同功率的电机,KV值越高,单位电压下转速变化越快,这意味着可实现更快的反应速度;KV值越低,单位电压下转速变化越慢,能输出更大的扭矩。相同功率的电机,选择高KV值的型号能够实现更灵敏的反应速度,只能带小桨。[7]



3.2 电调


无刷刷电机由于取消了碳刷结构,需要能替代碳功能的部件,这个就是电调,电调负责将直流电,转换为三相电,并根据需要控制其电压电流大小,从而驱动无刷电机实现需要的转速输出。在确定电机型号后,根据电机的最大电流,再选择合适的电调。[]具体地,电调的输出电流必须大于电机的最大电流,而且是越大越好。例如,所选择的电机带桨的最大负载电流是50A,那么电调的最大电流必须是60A,或者80A,电调电流越大,越不容易烧毁。



3.3 电池


多旋翼无人机电池通常是指锂电池,电池储存的能量,单位为Wh(瓦时),能量(Wh)=电压(V)×电池容量(Ah)。例如,标识为3.7V/22000mAh的6S电池,其能量为488.4Wh,把2块这样的电池串联,就组成了一个电压是44.4V,容量为22000mAh的电池组,虽然没有提高电池容量,但总能量确提高了2倍。


放电倍率(C)是指在规定时间内放出其额定容量(Q)时所需要的电流值,它在数值上等于电池额定容量的倍数。放电倍率决定了电池的放电电流(A),例如,对于容量为24Ah,放电倍率5C的电池,它的放电电流就是120A。如果其放电倍率为2C,0.5小时放电完毕;用12A充电,如果其充电倍率为0.5C,2小时充电完毕。


电池主要参数:电压+容量+放电倍率来确定放电持续电流,例如:3S(11.1V),4200mAh,30C放电持续电流为126A。


3.4 综合选型


在配对选型时,一方面,电池电流持续输出要大于电调最大持续电流,按上述电池3S电池,电调就可以选择80A或者100A,另一方面,电池电压要小于电调最高承载电压。


电机工作电压由电调决定,而电调电压由电池输出决定,所以电池的电压要小于电机的最大电压,而且,电机能承受的最大电压要大于电调最大电压。



4


工业设计


首先,采用集成化产品化设计思路,对多旋翼无人机的造型进行符合产品特点的设计,造型线条丰富多变,曲面与平面得运用与融合具有创新性与艺术性。然后,融入公司特色,整体风格统一,确定整体外观配色方案,提高产品的市场价值。最后,完成外观模型以及概念设计原型的制作。 参考前期文章《从工业设计角度谈多旋翼无人机设计》。


5


结构设计


根据总体参数和外观设计要求,首先,要从产品加工角度和气动分析角度评估外观造型的结构合理性,其次,需要评估和控制多旋翼无人机结构总体重量,为总体参数反复论证提供依据。再次,需要对所选的器件(或设计)进行合理的总体布置与设计。最后,根据多旋翼无人机的结构功能需求详细结构设计。主要是从如下几方面入手。第一,多旋翼无人机本体结构强度。在满足多旋翼无人机各种运动工况的情况下,应使结构设计向轻量化。第二,结构设计再不影响外观的创新性的情况下,尽量设计合理的零部件,满足现有加工工艺水平,降低结构工艺水平,从而降低成本。第三,功能性设计,满足多旋翼无人机结构动力学设计要求,分析运动部件的可靠性与动特性。第四,对内部电气结构及走线设计,满足电气结构的三防,高低温,电磁兼容等可靠性设计要求。第五,减震设计,在多旋翼无人机上,对于震动特别敏感传感器,需要做减震处理,否者会影响到整机的的控制精度。


参考文献


[1] 付松源.系留多旋翼无人机及其在战术通信中的应用[J].电子技术应用,2018(4):14-17,22.


[2] 聂营.王生.杨燕初.螺旋桨净推力数值模拟与试验对比分析[J]. 计算机仿真,2009(3):103-107.


[3] 蒋晓莉.杨士普.螺旋桨飞机滑流机理分析[J].民航飞机设计与研究,2009(4):34-38.


[4] 杨少沛.刘建中.风光互补发电系统在无人机中的应用[J].科技创新与生产力,2017(2):89-91.


[5,6,7,8] 源于网络


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