倾转旋翼式无人机及应用

倾转旋翼式无人机一．研究背景及发展现状：无人机的起源并不算晚，早在1914年，英国军事航空学会就批准了当时世界上第一个无人机计划，准备用于第一次世界大战。1935年，DH.82B蜂王号的诞生给无人机历史上留下了浓墨重彩的一笔，这种飞机采用导航技术，可以自主返回起飞点，使得无人机可以重复飞行，大大提高了无人机的实用价值。此后，一些高精密以及昂贵的设备开始在无人机设计中越来越多的应用，无人机的性能得到大幅度提高。随着航空技术的变革，无人机自主控制程度越来越高，也越来越智能。不仅如此，无人机的结构也不再局限于早期的固定翼结构，随着人们对无人机的应用需求日益增多，许多新型无人机应运而生。由于倾转旋翼无人机机既有旋翼又有机翼,在旋翼倾转过程中气动特性比较复杂,存在着动力学分析、旋翼/机翼耦合动载荷和稳定性等技术难题,因此其研制周期较长、研制费用高等缺点。此外,由于倾转旋翼机采用双旋翼,其飞机设计结构上存在欠缺,在操纵与控制上存在一定困难。其过渡过程的稳定控制是目前最迫在眉睫的问题。国外：目前美国贝尔直升机公司研制出鱼鹰系列的倾转旋翼式直升机并成功试飞，投入使用，但在使用期间也并不是一帆风顺，曾出现过重大事故，欧洲航空工业界也在积极研制倾转旋翼机。1987年初,“尤洛法”(EuroFAR)的倾转旋翼运输机在欧洲委员会资助下进行了可行性方案论证。1999年多家欧洲公司联合研究名为“尤洛泰特”(Eurotilt)的倾转旋翼机制造实验台,设计巡航速度556千米/小时、航程1481千米和使用升限7620米。与此同时,意大利阿古斯塔公司宣布一款名为“尤利卡”(Erica)的倾转旋翼机。1999年10月欧洲委员会将“尤利卡”与“尤洛泰特”合并成“第二代欧洲高效倾转旋翼机”。国内：倾转旋翼机在国内的发展起步较晚,而且主要是对于倾转双旋翼机理论技术方面进行研究。其中南京航空航天大学研究成果比较显著,主要有飞行力学建模、旋翼/短舱/机翼耦合结构气弹响应、过渡过程姿态控制等方面的研究;西北工业大学对倾转旋翼机机构多状态响应及效率进行了研究。中航工业直升机研究所得出了过渡阶段短舱倾转规律。航工业直升机研究所展出了正在研发的一款新概念直升机“蓝鲸”旋翼机，但都处于试验期，没有真正投入使用。二．无人机制造材料：通过各种材料强度，刚度，重量，耐腐蚀性，以及价格的考察。我们发现玻璃钢具有轻质高强，耐化学腐蚀，抗微生物作用，成型方便，价格较低的优点。故将玻璃钢作为制作无人机机身及螺旋桨的材料。三．短舱旋转传动系统：图二蓝色构件为1构件绿色构件为2构件黄色构件为3构件灰色构件为机架图一如图所示为短舱的旋转机构原理图（初步设计）。图中1构件为主动件，2构件为短舱的旋转控制构件。当舵机收到控制系统传来的转动信号时，舵机启动输出转矩。1构件绕机架相对转动带动2构件运动，2构件的上下端点以移动副的形式与3构件和机架相连，在2个移动副的作用下使得2构件可以绕水平位置转动一定的角度，通过调整构件3与机架的滑槽长度可以实现0度至90度的角度偏转，通过在滑槽内添加的气动设置可将反馈信号传输给控制系统，使舵机停止工作，同时帮助构件2实现自锁。从而实现了直升模式到固定翼模式的转换。四．短舱旋转控制系统：控制简图如下：图四倾转旋翼无人机具有直升机模式、过渡模式、固定翼模式三种飞行模式。倾转旋翼无人机起飞和降落时,短舱垂直于地面,升力完全由一对旋翼提供;当上升到一定高度,倾转旋翼无人机以直升机模式达到初始转换速度后,短舱倾转90°到达水平状态。在此过程中,升力由旋翼拉力在重力方向的分力和机翼的升力提供,旋翼拉力在水平方向的分量提供了机体向前的加速度;当短舱倾转90°时,倾转旋翼无人机进入固定翼模式,升力完全由机翼升力提供,旋翼当作拉力提供飞机的前飞速度。倾转旋翼机过渡模式包括直升机阶段和短舱倾转阶段短仓在本设计中,需要确定机体的转动惯量和力臂。测试时,为防止基座因螺旋桨高速旋转而产生震荡,将电机固定在一个质量较大的基座上,保证测量的精确性。反向安装螺旋桨,使螺旋桨排开空气的速度向上,从而产生向下的推力,因此,不同的输入电压对应不同的电机转速和向下的推力,舵机是一套带反馈的伺服机,电机通过多级齿轮减速后传给输出轴,输出轴的下面连着一个同步转动的反馈电位器,电路通过检测电位器的阻值和舵机输入信号作比较,就能确定舵机应该停留的位置。因此舵机本身是一个闭环系统,其输入信号为PWM信号的脉冲宽度,输出信号为舵机的转动角度舵机本身内部集成有驱动器,其相当于比例环节。在直升机模式下调整俯仰角获得初始转换速度;当达到初始转换速度之后,进入短舱倾转模式。倾转旋翼机可以通过改变旋翼拉力和气动舵面进行操纵。在直升机阶段时,机体前飞速度较慢,气动舵面产生的力较小,操纵的作用不明显,此时主要靠旋翼拉力矢量进行操纵,通过控制螺旋桨的转速,实现倾转旋翼机的前飞方向加速。短舱倾转模式时,随着前飞速度逐渐加快,方向舵、升降舵以及机翼等气动舵面操纵越来越明显,此时主要依靠气动舵面进行操纵。由于过渡阶段是在直升机阶段到平飞阶段的过渡,在此期间会存在两种操纵方式。在过渡阶段,倾转四旋翼机过渡阶段操纵系统分为直升机模式和短舱倾转模式。具体可分为俯仰操纵、滚转操纵、偏航操纵和拉力操纵：俯仰操纵:在直升机模式,俯仰操纵采用前后螺旋桨转速差动的操纵方式;在短舱倾转模式,俯仰操纵采用改变升降舵倾角的操纵方式。通过俯仰操纵将俯仰角调整到期望的角度。滚转操纵:在直升机模式,滚转操纵采用左右螺旋桨转速差动的操纵方式,左右旋翼间存在拉力差,从而产生滚转的力矩;在短舱倾转模式,滚转操纵采用副翼倾角差动,副翼差动偏转会产生左右两侧的拉力差。因此通过滚转操纵可以调整滚转角到期望值。偏航操纵:通过控制左右两侧舵机反向倾转,这样旋翼的水平分力会产生一个绕z轴的力矩,进而控制偏航姿态。从而可以达到调整偏航角的作用拉力操纵:在过渡阶段,拉力操纵通过改变螺旋桨的转速和短舱倾角达到改变前飞拉力的效果。螺旋桨机翼的升力在前飞方向上的分力克服阻力产生飞机向前飞行的加速度。[1]倾旋翼式飞机大体外观图五．应用模拟：监测系统1简介：我们的飞机采用红外和航拍组成的监测系统，采用实时传输的特性进行实时森林火灾监测；当数据和图像传输回来后，用专门的图像采集设备进行采集，再在电脑上进行matlab编程处理，把采集的图像进行灰度处理，设定阈值进行图像二值化处理，再进行边缘检测，得出区域火灾的方位和蔓延趋势。2系统组成2.1硬件组成：红外线传感器，航拍摄像头，实时传输信号器，图像采集设备，电脑2.2软件组成：图像采集软件，MATLAB3具体检测流程如下：图像采集数据传输数据采集飞机在指定空域进行图像采集实时图像数据传输图像数据接收电脑MATLAB进行数据处理传输到电脑4MATLAB图像处理4.1我先在计算机上模拟了一下森林火灾现场的区域着火图，即飞机的采集图像。注：红色部分代表火；绿色部分代表森林；黑色部分代表被火烧掉的部分或者没有树的部分4.2用MATLAB进行图像灰度处理4.3设定阈值，进行图像二值化处理，白色为1，黑色为0；检测过程示意图4.4设计智能深度搜索优化算法，标记未着火区域全部为14.5设计边界搜索算法，并进行特性标记，标记为0.5红色，为了看图方便，并把标记元素图转化后标记为红色，最后输出图像。4.6设计算法对标记元素位置进行统计，可以分析出火灾方位和蔓延趋势，从而制定灭火最优方案，参考文献：[1]宋殿成倾转四旋翼机过渡阶段控制系统研究2014.6