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多用途固定翼无人机及其远程控制系统研究

范文

钟建卫+李林+吕偿+李建鑫+卢明辉+李广湖

摘要：本研究项目设计的无人机系统可远距离长时间的作业，可在农业、运输、军事、勘探、灾难救援等领域应用。本无人机系统由长航时固定翼无人机和远程控制系统及远程图像传输系统组成。长航时固定翼无人机选用了EPPLER 67翼型，此翼型在迎角5.5°时，升阻比为97.5046、续航因子为100.5196，使用222WAh的电池实现了长达90分钟的续航时间。无人机系统使用基于433MHz无线电频率的远程控制系统和基于1.4GHz无线电频率的远程图像传输系统实现远距离控制功能。

关键词：长航时；固定翼无人机；远程控制系统；远程图像传输系统

中图分类号：TP242 文献标志码：A

0 引言

多旋翼无人机是依靠多个旋翼产生的升力来平衡飞行器的重力，让飞行器飞起来，通过改变每个旋翼的转速来控制飞行器的平稳和姿态。固定翼无人机靠螺旋桨或者涡轮发动机产生的推力作为飞机向前飞行的动力，主要的升力来自机翼与空气的相对运动。平衡固定翼无人机重力的主要是机翼与空气相对运动产生的升力，节省更多的能源以维持固定翼无人机的长时间飞行作业。

1 无人机系统

本项目的无人机系统由长航时固定翼无人机机体、远程控制系统及远程图像传输系统组成。长航时固定翼无人机机翼布局采用上单翼布局，尾翼布局采用“V”形尾翼布局。远程控制系统和远程图像传输系统分别是基于433MHz无线电频率和1.4GHz无线电频率实现远程控制和远程图像传输的功能。

2 长航时固定翼无人机设计

长航时固定翼无人机的主要技术难点在于怎么在有限的能源下获得更长的续航时间。主要的方式是增加飞机的升力降低阻力以增加续航时间。影响续航时间的主要因素是展弦比A、后掠角Λ和升阻比K。

图1是长航时固定翼无人机三维建模模型，机翼布局采用上单翼布局，在空气动力学方面，上单翼布局是高升阻比的构型。上单翼最重要的特点还在于飞机重心在机翼下方，飞机具有自动恢复的飞行姿态稳定性。尾翼布局采用“V”形尾翼布局，V形尾翼能提高螺旋桨驱动飞机飞行的速度，“V”形尾翼较普通尾翼，减少了尾翼部件的总数，减小干扰阻力，并且V形尾翼具有加工量小的优点。

2.1 机翼设计

长航时固定翼无人机追求高气动效率。展弦比A、后掠角Λ和尖削比λ是机翼气动布局设计的三个重要参数。

2.1.1 展弦比A

机翼展弦比A随着机翼升力线斜率的增大而增加，最大升力值和升阻比也随之增加，升致阻力随之减小。展弦比越大，对机翼的结构要求也越高，并且为了本无人机可以随身携带，展弦比A取15 。

2.1.2 后掠角Λ

升力线斜率随着机翼后掠角Λ增加而减小。本项目的无人机要求尽可能得到大的升阻比，所以应选取的较小的机翼后掠角。通过计算，后掠角Λ=1.7°。

2.1.3 尖削比λ

尖削比λ太大会导致诱导阻力增加，太小则加速翼尖气流分离。尖削比主要影响的是机翼升力的展向分布。一般低速飞机机翼的尖削比在0.4～0.5的范围内取值。尖削比λ取0.5。

图2为右侧机翼骨架的三维建模。机翼总面积S=60dm?，无负重翼载荷Lw=33.3g/dm?，负载两公斤翼载荷Lw=66.6g/dm?，翼根弦长Cr=2.667dm和翼尖弦长Ct=133.5dm。在升力足够的情况下，极大地减少无人机的阻力，增加升阻比以增加续航时间。

2.2 翼型选择

机翼是飞机升力的主要来源，而翼型是影响机翼气动特性的一个重要因素。

翼型的选择直接决定着机翼升力系数的大小、飞行品质和机翼阻力。长航时固定翼无人机的翼型应选取高升阻比的翼型，其次考虑升力高的翼型让无人机可以负载更多重量。通过对比从翼型库里挑选的5种翼型，最终选取EPPLER 67作为本项目设计的无人机的翼型。

图3是升阻比与机翼迎角的关系。在飞行高度100m，飞行速度60km/h和机翼平均弦长207.43mm时，流体流动雷诺数Re=23400。由图可知，翼型Eppler 67的升阻比均高于其他4个翼型，并以较小的机翼安装角达到最大的升阻比。

2.3 机身参数设计

为了达到其视距外长航时作业多用途化，通过增加机身容量为后期增设作业设备留空间。保证大容量的机身下，对机身流线型化，减小机身的阻力系数，提高气动效率。机身主要参数见表1。

2.4 尾翼设计

尾翼采用新型“V”型尾翼布局，由于目前的大量计算主要是针对单独的垂直尾翼和水平尾翼，因此，先分别通过尾容量系数法计算垂直尾翼和水平尾翼的面积再折算到“V”型尾翼的面积。计算结果见表2。

3 远程控制系统及远程图像传输系统框架

远程控制系统和远程图像传输系统是两个彼此独立的系统，但远程控制系统要依靠远程图像传输系统对无人机进行控制。传播损耗随着无线电的频率降低而减小，覆盖距离和绕射能力随着无线电频率的降低变远变强。两个或以上设备同时使用无线电通信时，频率非常接近，会干扰两个设备之间的正常通信。因此，远程控制系统使用433MHz无线电频率进行控制，远程图像传输系统使用1.4GHz无线电频率进行传输图像，这两个频段都是我们国家的免申请段发射接收频率。

图4是远程控制系统和远程图像传输系统总体框架。无人机端由控制信号接收天线、控制信号接收器、图像信号发射天线、图像发射器、飞行控制器、无人机执行各动作的执行机构以及摄像头组成。地面端由2.4GHz遥控器，2.4GHz频率转433MHz频率模块，控制信號发射模块，图传信号定向接收天线，图传信号接收器以及显示器组成。人们控制遥控器发出控制信号，由433MHz转化模块转化成433MHz频率并由信号发射天线发射控制信号，由信号接收天线接收发射天线发出的信号并传输至接收器处理，飞行控制器根据信号控制各个执行机构。摄像头将所采集的图像信息传输至飞行控制器，由飞行控制器叠加无人机的飞行状态信息并发送给图像发射器处理，通过图像信号发射天线传输至地面端，图像信号定向接收天线将接收到的图像信号传输至图像接收器处理并交由显示器显示图像。

3.1 远程控制系统

远程控制系统基于433MHz无线电频率对无人机进行控制作业，市面上的无人机遥控器普遍是2.4GHz频率，但功率低，可控制距离小。对此，将2.4GHz频率转化成433MHz频率并传输至无人机端实现远程控制的功能。实验发现，无人机接收控制信号端的天线必须是全向天线，如果在接收天线上的馈线上增加两根对称布置的地线可以增加信号接收的稳定性，进一步增加控制距离。

3.2 远程图像传输系统

远程图像传输系统基于1.4GHz无线电频率对无人机端的图像进行传输至地面端。地面端是可以人为操纵的，将原本的全向天线换成仅对一个方向接收图像信号的定向天线，增加其对一个特定的方向的信号增益。

4 固定翼无人机及其远程控制实验结果

实验主要测试本项目设计的无人机的续航能力，远程控制系统的最大控制距离和远程图像传输系统的最大图像传输距离。测试结果表明，本项目固定翼无人机拥有长达90分钟的续航能力，远程控制系统和远程图像传输系统的最大距离也非常可观，实验距离长达20km并且信號在70%以上。在信号传输延迟方面，延迟很低，并不影响无人机进行长航时视距外作业。

表3是本项目的无人机与DJI Phantom 4 Pro的续航时间对比，本项目所使用的电池是222Wh，而DJI Phantom 4 Pro所使用的电池能量是89.2Wh。

表4是各产品的可控制距离。Futaba 14 SG也正是本项目所使用的遥控器，通过增设433MHz无线电转化模块增加控制距离。

表5是各产品的图像可传输距离。5.8GHz aomway （1W）是市场上热销的一款5.8GHz频率的图像传输系统，搭配原厂生产的全向天线仅可以传输3km。

结语

本文设计的适用于视距外长时间作业的多用途固定翼无人机及其远程控制系统，较多旋翼无人机，本项目无人机可长达90分钟不间断地处于20km外的超视距作业，避免了烦琐的多次起降和解决盘旋半径小的限制。今后，在固定翼无人机作业时，面对人工难以检查作业的工作，都可以交由固定翼无人机负责。本项目受广东大学生科技创新培育专项资金资助，作品编号：pdjh2017b0816。

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