Draganfly四旋翼微型飞行器

来源:用户上传      作者: 文 武 杨晓波

　　早在1907年，法国人布勒盖特・瑞切（Bréguet Richet）所发明的世界第一架有人架势四旋翼飞行器“Gyroplane No.I”就已能升上天空。但由于构造复杂、飞行员不易操纵等原因，四旋翼飞行器的发展并非一帆风顺。近年来，随着新材料、微机电、微小型飞行控制等技术的进步，微小型多旋翼无人飞行器逐渐成为迅速发展的重点。
　　与常规旋翼飞行器如传统布局的直升机等相比，多旋翼飞行器结构更为紧凑，动力利用效率高，并且四只旋翼扭力矩可相互抵消，无需专门的反扭矩旋翼。多旋翼飞行器实现微小型化后，特别适合在近地面环境（室内、街巷和丛林）中执行监视、侦察等任务，具有广阔的军用和民用前景。
　　目前，Air To Air公司已开发成功多款1kg级微小型多旋翼Draganfly系列飞行器，在可靠性、适应性和多用途方面已较为成熟。本文以该系列飞行器中的四旋翼飞行器为例，揭示该类微型无人飞行器的奥秘――
　　
　　小巧的外观和结构
　　Draganfly四旋翼飞行器从外形上看相当小巧，完全可以把它放在摊开的手掌中放飞，但所谓“麻雀虽小、五脏俱全”，别看它个头小，飞行器的各个组成部分却一样不少。
　　总体结构整套飞行器由机体、手持式遥控装置、无线视频眼镜、无线视频基站、充电装备以及多种负载和备附件组成。整套飞行器可装进一个不大的便携箱中，便于人员背携。
　　飞行器的核心是机体最中央的部分，外观呈盾形，其外壳由高强度碳纤维制成，保护着其内部设置的多个基本传感器，盾形外壳下沿则是机体电池的安装位置；再下方是负载区，可利用随机搭配的柔性防抖挂架搭载多种侦察器材。当然，根据用户需要，也可定制专用负载挂架以搭载其他特制器材。机体的起降架同样采用柔性减震的碳纤维材质，滑撬式设计，安装于盾形外壳后方1/3处，可快速拆卸。飞行器的升力装置由四具微旋翼组成，它们呈X形布设于盾形外壳四周的马达臂上，每具旋翼分别由一副超静音无刷式马达驱动。与传统有刷马达相比，这种马达具有较高的能量转化效率、低噪声等特点。至于每副旋翼，则由两片碳纤维叶片组成，可从马达上快速拆卸。转动时，互成对角线的两副旋翼旋转方向相同，而另一侧对角线上的旋翼旋转方向则与前两副相反，以此来抵消彼此产生的扭力矩。4个马达外侧还设有不同颜色的LED闪光导航灯，具体为前左侧为红色、前右侧为绿色，后左侧为白色、后右侧为蓝色。当飞行器在昏暗环境中飞行或飞行距离较远时，使用者可根据LED导航灯的颜色来判断飞行器的姿态和位置。
　　飞行器尺寸Draganfly四旋翼飞行器极其袖珍，以标准配置的四旋翼飞行器为例，含旋翼时的长、宽各为64.5cm，顶部直径为78.5cm，带起降架时高21cm；如拆除旋翼，其长、宽则分别为36cm。起落架的安装高度约17cm，滑橇长31cm。飞行器带电池、空载时的质量为680g，有效负荷约250g，最大起飞质量为980g。
　　电池飞行器所采用的电池为锂离子电池，容量为1900mA时，输出电压为14.8V，一次充电后根据负载不同可供飞行器飞行约20～30分钟，采用专用充电器可在30分钟内完成充电。
　　遥控装置用于控制飞行器的手持式遥控装置长22cm、宽12cm，其中部是一块显示飞行器综合状态的显示屏，左侧为操纵飞行器横滚的控制杆、右侧为操纵其俯仰的控制杆，整个面板上分布有多个按钮，顶部为两根接收/发射天线。
　　其他附件随整套系统的附配件还有迷你无线视频基站，该基站采用三脚架驾设，主要用于传输和记录侦察设备传回的视频和图片，它也采用锂离子电池供电。该基站长16.5cm、宽8cm、高4.5cm，质量约680g。
　　在携带时，飞行器和其他所有备附件可装进一个长74cm、宽47.5cm、高28cm的便携箱内，便于人员背携，由单兵携带。
　　
　　飞行控制
　　与传统旋翼飞行器采用尾旋翼来克服主旋翼旋转时产生的扭矩相比，对称四旋翼结构被认为是一种最简单和最直观的稳定控制形式，但由于这种旋翼结构必须同时协调控制四个旋翼的状态参数，这对驾驶员而言是非常困难的，所以这类飞行器问世虽早，却始终未真正应用到大型直升机设计中。但随着材料、控制技术的进步，特别是微电子技术的普及，使这一结构的微小型飞行器得以应用。
　　传统旋翼直升机配备有主旋翼和尾旋翼，它们是通过控制两个旋翼的参数，从而实现直升机姿态和位置的控制，而微小型四旋翼飞行器与此不同，它通过调节四个马达转速来改变旋翼转速，实现四个旋翼升力的不均匀变化，从而控制飞行器的姿态和位置。
　　就Draganfly四旋翼飞行器而言，其控制系统由盾形机壳下的微计算机和传感器组组成，传感器组由3个陀螺仪、3个加速计和1个气压计共同组成系统的惯性导航控制系统，这些传感器探测飞行器的水平、垂直、俯仰、航向和角速度等运动状态，并将探测到的参数输入到微计算机中，再由其计算出四个马达的转速，通过控制电源输入各个马达不同的电流来实现各马达以不同速率旋转，以此来对飞行器的飞行状态进行修正。其可实现6种基本运动状态，具体如上图所示。
　　其6种基本运动状态分别是垂直运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动、前后运动、侧向运动。以图中马达1、3所在X轴为前进方向，图中箭头向上表示此旋翼转速提高，箭头向下表示转速下降，以此来说明各种运动状态的实现原理。
　　垂直运动垂直运动相对较为容易控制，因两对旋翼转向相反，可平衡其对机身的反向扭矩，因此4个旋翼同时提供向上升力。当此升力大于机体质量时，便可实现垂直上升，反之则机体下降。
　　俯仰和滚转运动在图b中，旋翼1转速上升，旋翼3转速下降，旋翼2、4保持不变。为了不因旋翼转速的改变而引起飞行器整体扭矩改变，旋翼1、3转速改变量大小应相同，同时由于旋翼1升力上升、旋翼3升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕Y轴向一侧旋转；而当旋翼1转速下降、旋翼3转速上升时，机身则沿另一侧旋转，从而实现飞行器不同方向的俯仰运动。在图c中，改变旋翼2、4转速，保持旋翼1、3不变，则可使机身绕X轴旋转（正向和反向），实现滚转运动。
　　偏航运动这种状态可借助旋翼产生的扭矩实现，只要4个旋翼的转速不完全相同，不平衡的扭矩就会引起飞行器方位角的变化。图d中，旋翼1、3转速上升、旋翼2、4转速下降时，旋翼1、3对机身的扭矩大于另两者的扭矩，机身便在不平衡扭矩的作用下绕Z轴转动，实现偏航运动。
　　前后和侧向运动要使飞行器在水平面内前后、左右运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。图e中，增加旋翼3转速，相应减小旋翼1转速，同时保持其他两个旋翼转速不变，使扭矩保持平衡。按俯仰和滚转运动中所述，飞行器首先发生一定程度的倾斜，使旋翼升力产生水平分量，从而可实现飞行器的前后运动。图f中，由于结构对称，侧向飞行的工作原理与前后运动完全相同，只是各旋翼转速增减的情况不同。
　　
　　4种标准负载
　　根据生产商的规划，Draganfly四旋翼飞行器共可搭载4种标准侦察设备，如果用户需要其他设备，也可按需定制，这些负载都安装在特制的弹性防震挂架上，可有效提高设备成像的质量和系统的稳定性。目前，Air To Air公司标配的4种侦察负载是：
　　松下徕美DMC-FX580照相机
　　相机质量约167g，含挂架质量约238g，其具有5倍光学变焦、3倍数字变焦功能，像素1200万，可采用大容量SD/SDHC/MMC存储卡，根据存储卡容量，还可以33帧/秒的速度录制短时间720p高清视频。拍摄照片后可利用机身上的天线实时传输回地面基站，但摄制的视频无法传输。

　　沃特克WAT-902H2黑白超低照度摄像机
　　该低照度摄像机自身质量约166g，含挂架质量约241g，其具有3倍光学变焦功能，有效分辨率为768×494像素，可在星光的微光条件（照度为0.0001Lux的环境下，相当于繁星的光照）下拍摄清晰的黑白录像（1Lux约等于1支普通蜡烛在1m距离的照度。目前在摄像机参数规格中常见的最低照度，是指该摄像机只需在所标示的Lux数值下，就可获取清晰的图像，这个数值越小，说明摄像机的灵敏度越高），并可传输至地面基站。
　　FLIR Photon TAU红外成像仪
　　该红外成像仪自身质量70g，含挂架质量约238g，其采用Vox辐射热测量计，对7.5～13.5μm辐射谱段成像效果较好，其有效分辨率为324×256像素，具有4倍数字变焦功能。
　　高分辨率480P摄像机
　　摄像机自身质量约92g，其有效分辨率为768×494像素，可在0.19Lux的低照度下正常工作。此摄像机在拍到目标图像后，可通过机身上的天线实时传输回地面基站，再反馈至使用者所配戴的便携式视频眼镜中，实现所拍即所得的效果。
　　以上4种负载仅是可供选择的、侧重于执法及民用领域内的标准配置，如果军用的话，还可选配激光指示器、单兵雷达、红外传感器等专用设备，可遂行多种侦察、监视任务等。
　　
　　未来可能的军事应用
　　目前，Draganfly四旋翼飞行器的用途仍多定位于执法及民用领域，比如作为空中交通管制的监控平台，执法部门用于快速和隐蔽的取证，或是在危险恶劣环境，如核、生、化泄漏污染的环境中，进行监视和探测。
　　在军用领域，Draganfly四旋翼飞行器同样大有可为，比如它采用静音马达，使其运行时噪声较低，如仅凭听觉在10m之外很难感觉到它的存在。这样的静音飞行能力，配合飞行器本身良好的飞行品质，特别适用于街巷环境下的近距离作战。比如，士兵们在可疑建筑物外，可利用Draganfly四旋翼飞行器在目标上空盘旋提供实时情报支援，它随机携带的摄像头可实时传输影像，为士兵提供周边的敌情信息，尤其是在侦察目标死角处或屋顶上的情况时效果很好。使用时，士兵只要戴上无线视频眼镜，拿着手持式遥控装置，就可通过地面基站看到飞行器上摄像机所拍摄的实时画面，实现飞行器所拍即使用者所见的效果。夜间，Draganfly四旋翼飞行器则使用红外观察设备，可使士兵实时监视飞行器所看到的红外图像。
　　当然，Draganfly四旋翼飞行器目前要进入军用领域还面临着一些问题，最突出的便是电池续航能力不足，在现有条件下，一块电池仅能满负载工作20～30分钟，如果这一时间能够延长，将能提供更长时间的可持续侦察能力。
　　其次，它的负载能力偏弱，负载功能也相对单一，在不同的使用环境中需要不断地转换负载设备，如能同时集成多光谱侦察设备，搭载具备可见光/红外功能的监视设备，将免去负载转换的过程，可令其实用性进一步提升。
　　另外，Draganfly四旋翼飞行器如果面向军用，其马达臂上的导航灯应作调整，可将其前侧两马达臂上的导航灯改为红外闪光类型，后侧两处导航灯则完全取消，使用者只要配有红外夜视器材同样也能随时掌握飞行器的运行状态。
　　
　　其他多旋翼系列飞行器
　　除Draganfly四旋翼飞行器外，Air To Air公司还研制了其他几种类似的多旋翼飞行器，如六旋翼、八旋翼飞行器，它们的结构和材料与四旋翼飞行器基本相同，只是马达功率和旋翼位置、数量等有所区别，与前者相比，后两者体积、负载等也相应增大不少。

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