二轴倾转旋翼无人机的设计及实现

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０　引言
倾转旋翼机作为一种新型旋翼飞行器，是将直升机及固定翼无人机相结合而产生的一种新概念航空器，该飞行器的起降是依靠飞行器的主轴倾转，带动飞行器的发动机一同发生倾转，实现飞行器由垂直起降向水平飞行阶段的过渡。

其有效融合了直升机和固定翼无人机各自的优点，既拥有直升机垂直起降和空中悬停的能力，又拥有固定翼无人机高速巡航飞行的能力，航程比直升机更远，航速更高，以及具有比固定翼无人机更高的机动性和更小的起降区域。

１　二轴倾转旋翼无人机设计
倾转旋翼无人机主要向2个方面发展：一是依靠对称分布在翼尖两侧的发动机吊舱进行倾转改变姿态，二是将发动机固定在机翼上，旋转机翼进行姿态的转变。

如图1所示，该文设计的二轴倾转旋翼无人机动力系统将由2个无刷电机组成的吊舱分布在翼尖两侧，在机载飞控系统的控制下，通过采集多个传感器的实时信号，经过内部的
STM32处理器进行处理，改变两侧吊舱的旋转角度，从而实现飞机垂直起降、固定翼巡航。

该文设计的二轴倾转旋翼无人机在垂直姿态下采用电机差速控制方向，相比于直升机的桨距控制，其有着结构简易可靠、后期维护方便、姿态转换过程稳定等优点。

图1 二轴倾转旋翼无人机
１．１　翼型选择
机翼作为飞机的重要组成部分，承担着为飞机提供升力的任务。

机翼主要由翼肋构成，不同的翼肋有着不同的翼型，不同的翼型其作用也有所不同。

为了满足该文设计的无人机在进行姿态转换时不掉高度且机体稳定不抖动的要求，需选择一种具有适中升阻比且飞行性能稳定的翼型，并对攻角对翼型气动特性的影响进行研究。

１．２　攻角对翼型气动特性的影响
该文通过在Profili 翼型库中对多种翼型进行选择，最终选取5种不同类型的翼型进行比较。

由图2可知，5种翼型的升阻比总趋势为先增后减，在攻角为4.5°左右时，Clark V 翼型升阻比最高，在此状态下提供的升力最大，飞行性能更佳，但随着攻角的变化，Clark V 翼型升阻比变化趋势偏大，从稳定性而言，升阻比的急剧变化不利于飞机的飞行稳定。

Aquila 翼型升阻比变化趋势较缓，飞行性能更稳定，并且升阻比较高，能提供可观的升力，因此选取Aquila 翼型为该文设计的无人机的翼型。

１．３　倾转机构与机翼设计
该文设计的倾转旋翼无人机的倾转机构以发动机吊舱对称分布在翼尖两侧，通过改变吊舱旋转角度实现垂直飞行和水平飞行。

在垂直飞行过程中，无人机竖直向上的推重比需大于１，在水平飞行过程中，无人机的推重比需维持在0.4左右，因此无人机在过渡飞行时，推力的急剧变化对倾转机构结构强度与机翼的连接结构有着很大的挑战。

利用榫卯结构对吊舱及连接结构进行设计，吊舱与机翼采用外径12 mm、内径8 mm 的3K 碳纤维圆管连接。

图3为吊舱与左侧机翼的三维建模，机翼翼展977 mm，弦长240 mm，吊舱长205 mm，宽47 mm，高43 mm。

在保持吊舱转换时飞机飞行姿态稳定的情况下，最大程度地增加机翼翼展，使飞机发挥出更优的性能。

１．４　驱动模块　
倾转旋翼无人机在进行姿态转换时，对电机及控制发动机吊舱角度的舵机的响应速度有着很高的要求。

通过测试，测得无刷电机Sunnysky X2814型的响应速度优于其他无刷电机，使用11.1 V-5 200 mAh-35C 的锂聚合物电池，并搭配13×8E 桨，单个电机的最大拉力可达1 700 g 左右，可在飞机垂直飞行时为其提供足够的推力。

数字舵机在测试时响应速
二轴倾转旋翼无人机的设计及实现
洪智杰 钟小华 李广湖 谢江涛 彭振根（广东白云学院，广东 广州 510450）
摘 要：该文结合多旋翼无人机和固定翼无人机的优点设计了二轴倾转旋翼无人机，这是一款摒弃传统设计观念的新型无人机。

采用碳纤维复合材料以及巴尔沙木材，在最大程度减重的同时又保证了机体的强度。

通过机载STM32处理器引导输出不同宽度的PWM 波脉控制舵机带动发动机吊舱实现倾转。

在垂直飞行姿态下，其最大推重比可达2，在水平飞行姿态下，其续航时间为52 min。

其凭借着大推重比和高续航时间，可在山区、灾区等复杂环境中进行勘察、巡航等作业。

关键词：飞行器；倾转旋翼无人机；垂直起降中图分类号：V279 文献标志码：A
基金项目：大学生创新创业项目（201810822011）。

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度优于模拟舵机，测试时受旋转发动机吊舱时扭力大等因素的影响，塑料齿轮舵机经常发生少齿、滑齿现象，因此采用了大扭力数字金属齿舵机，其脉冲宽度为500 us~2 500 us，工作频率为1 500 us/330 Hz。

工作电压为4.8 V 时，转动速度为0.16 sec/60°，扭矩为14.2 kg/ cm。

通过独立的UBEC 开关降压将电源11.1 V 电压降至4.8 V 供舵机使用，并通过STM32处理器将输出主频由168 MHz 经GPIO 引脚转换为330 Hz 的PWM 控制。

１．５　尾翼设计
该文设计的倾转旋翼无人机尾翼采用两侧立尾和分段式平尾布局。

在平尾翼肋中增加了2条碳纤维圆管，增强了尾翼整体的抗扭性，并且使其在安装时可以更好地定位，减小了手工误差。

在测试强度足够时对尾翼进行最大程度的镂空以减轻其重量，避免强度过剩。

相比于其他尾翼布局，此布局提升了飞机的稳定性，并且安装难度较小。

尾翼主要参数见表1。

表1尾翼设计参数
尾翼技术指标尾翼翼型ＮＡＣＡ　００１０
尾翼展弦比３垂直尾翼尾容量１．５水平尾翼尾容量
０．４４垂直尾翼面积（ｄｍ２）１７０．６４水平尾翼面积（ｄｍ２
）
３５．４８
２　二轴倾转旋翼无人机测试
对该文设计的二轴倾转旋翼无人机进行了倾转机构强度、垂直飞行和水平飞行的飞行性能2个方面的测试。

２．１　倾转机构强度实验
利用SolidWorks Simulation 对无人机主要受力的倾转结构做静应力分析，实验结果如图4所示。

实验为测试机构抗
扭性及结构强度对机构施加载荷为10 N 的扭力，由图4可以看出，受到的静应力大约为1.291 e+005 N/m 2，而巴尔沙轻木屈服力为2.000 e+007 N/m 2。

证明了此结构有足够的抗扭性及结构强度。

图4主要受力倾转机构静应力分析
２．２　垂直飞行和水平飞行的飞行性能测试
使用5 200 mAh 电池对该文设计的无人机、自行DIY 的多旋翼无人机和固定翼无人机及市面上较为突出的2种机型：DJI Phantom 4 Pro V2.0（多旋翼无人机）、ZOHD Nano Talon“小小胖子”（固定翼无人机）进行测试比较（测试机型均无负重载荷），实验结果见表2。

图3 吊舱与左侧机翼结构示意图
图2 不同翼型下升阻比（C L /C D ）随攻角（alpha）变化曲线
C L /C D
C L /C D
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０　引言
农村供水目前主要采用“水井-水塔”这种独立供水形式，一方面多数地区的人们仍采用人力启动抽水机的方式补充水塔的水量，这将会带来许多不必要的麻烦，另一方面少数地区的人们多采用小型PLC 控制的供水系统，但是该种系统存在功能单一、造价高昂并且自动化程度低等不足，因此目前该种供水系统在全国范围内并没有得到普及，其节水的优点并没有得到很好的发挥。

因此为了使供水系统更加智能化、功能多元化以及普遍化，该文提出了一种基于ARM 内核的光伏式水塔智能监测系统。

１　监测系统总体框架设计
该水塔智能监测控制系统主要是利用传感器采集水塔和水井数据，并通过电磁阀和电机对水塔进行控制。

如图1所示，该系统主要由6个部分组成，包括主控显示模块、水塔监测控制模块、无线通信模块、水井监测控制模块、微信公众号平台模块和电源模块。

该水塔智能监测控制系统的各主要模块的功能如下。

１．１　主控显示模块
采用ATK-4.3'TFTLCD 液晶显示屏电路，采用NT35510驱动。

１．２　水塔监测控制模块
该模块由STM32下位机1与电磁阀组、传感器检测电路组成，负责采集水塔的水位、温度、pH 值、浑浊度等数据，并对电磁阀组进行控制。

１．３　无线通信模块
运用芯片的SPI 通信，结合nRF24L01模块实现主机与子机间的无线通信，把子机检测到的水塔和水井的水位、水温和各项开关状态信息及时反馈给主机。

１．４　水井监测控制模块
水位检测采用超声波传感器模块，当水井水位过低时，及时向主机发送信息，防止水泵干抽；下位机2接受主机
光伏式智能水塔监测控制系统的设计与实现
涂顺广 宋武兴 李康铭 伍健涛
（广东白云学院机电工程学院，广东 广州 510450）
摘 要：为了解决广大农村地区的水塔自动化程度低、容易发生缺水和溢水现象、浪费人力电力资源等问题，该文设计了基于STM32的光伏式水塔智能监测控制系统。

通过ZigBee 无线网络接收传感器信号，利用NXP 公司推出的STM32微控制器作为主机和子机的控制核心，使监测系统可以实时地对接收到的传感器信号和信息进行运算处理，实现对水位、水质、水压和水温的实时监测，同时具有增压、清污、防干抽和防漏水的功能。

关键词：光伏式智能水塔；供水系统；双电源；水质监测；自动清污中图分类号：TP36 文献标志码：A
从表2可以看出，该文设计的二轴倾转旋翼无人机在
使用5 200 mAh 电池的情况下，无论是在续航时间还是速度方面都优于自行Diy 的无人机。

相比于DJI Phantom 4 Pro V2.0在速度上略差一点，但续航时间相同。

对于ZOHD Nano Talon“小小胖子”无论是在续航还是速度方面，该文设计的无人机都是优于它的。

３　结语
该文设计的二轴倾转旋翼无人机可以在垂直飞行姿态
下自动锁定飞机舵面，避免飞机产生抖动和偏移。

通过机
载STM32处理器对电机和倾转舵机的混合控制以实现无人机在垂直飞行姿态下的平飞、侧飞等动作。

在成功转换为水平飞行姿态后解锁飞机舵面，锁定倾转舵机，进行巡航飞行。

对于倾转旋翼无人机倾转机构普遍存在强度不足问题，该文利用碳纤维复合材料进行加强，从而保证了倾转机构的稳定性和可靠性。

参考文献
[1]刘春明，罗继业.NASA 大型民用倾转旋翼机进展研究[J].民用飞机设计与研究，2010（4）：1-5，50.
[2]钟建卫，李林，吕偿，等.多用途固定翼无人机及其远程控制系统研究[J].中国新技术新产品，2018（3）：28-30.[3]李国勤，孙丹，艾延廷，等.翼型气动性能数值分析[J].沈阳航空航天大学学报，2017，34（6）：27-32，39.
[4]栗莉，綦龙，罗帅，等.雷诺数对超临界翼型气动性能的影响[J].教练机，2017（2）：39-45.
[5]许景辉，马贺，周建峰，等.倾转三旋翼垂直起降无人机悬停姿态控制[J].农业机械学报，2018，49（10）：16-22.[6]王延奎，秦叶，黄茜.双垂尾飞行器偏航力矩非线性变化分析[J].航空科学技术，2018，29（7）：44-47.
表2飞行性能比较
机型
电池容量（ｍＡｈ）续航时间（ｍｉｎ）
最大速度（　ｋｍ／ｈ）
该文设计无人机（垂直飞行姿态）
５　２００３０６５Ｄｉｙ多旋翼无人机５　２００１４５０ＤＪＩ　Ｐｈａｎｔｏｍ　４　Ｐｒｏ　Ｖ２．０５　８７０３０７２该文设计无人机（水平飞行姿态）
５　２００５２９６Ｄｉｙ固定翼无人机５　２００１０６４ＺＯＨＤ　Ｎａｎｏ　Ｔａｌｏｎ小小胖子
５　２００
４９
９０。