直升机旋翼振动论文研究

浅谈多旋翼无人机任务系统的优秀论文

前言： 随着无人机产品的不断增加，市场之间的竞争力，也逐渐的提升，对此本项目研究出了更适合于工业控制、自动化装备等领域产品的多旋翼无人机，产品不仅定位合理，同时与其他产品存在一定的差异，该任务系统，是指先进智能装备数据链的无人多旋翼任务，存在较高的能量利用效率、载荷运输性能，是其它无人机产品，在技术方面不能相比的;制定合理的市场规划，会给企业带来一定的经济效益。

1 多旋翼无人机定义概述

我们常称无人飞行载具，为无人飞机系统，主要是利用无线电智能遥控设备，以及自带的控制程序装置，对于不载人的飞机进行操控。其中广义的无人机，包括狭义无人机以及航模。

多旋翼飞行器，主要由动力系统、主体、控制系统组成，动力系统包括电机、动力、电子调速器、桨;主体部分包括机架、脚架、云台;控制系统包括由遥控接收器、遥控组成的手动控制;地面站，以及由主控、GPS、IMU、电子陀螺、LED显示屏组成的飞行控制器。其中四旋翼，是一种4输入6输出的欠驱动系统;通过PID、，鲁棒、模糊、非线性、自适应神经网络控制。近年来，对于系统的控制功能的研究趋势，为大荷载、自主飞行、智能传感器技术、自主控制技术、多机编队协同控制技术、微小型化等方向。其中一些关键技术为，数学模型的建立、能源供给系统、飞行控制算法、自主导航智能飞行。

2 控制系统改进发展阶段

多旋翼无人飞行器的控制系统，最初是由惯性导航系统，借助了微机电系统技术，形成了EMES惯性导航系统;经过对于EMES去噪声的研究，有效的降低了其传感器数据噪音的问题，最后经过等速度单片机、非线性系统结构的研究、应用，最终在2005年，制作出了性能相对稳定的多旋翼无人机自动控制飞行器。对其飞行器的评价，可从安全性、负载、灵活性、维护、扩展性、稳定性几方面要素进行分析。具有体积小、重量轻、噪音小、隐蔽性强、多空间平台使用、垂直起降，以及飞行高度不高、机动强、执行任务能力强的特点;在结构方面，不仅安全性高、易于拆卸维护、螺旋桨小、成本低、灵活控制的特点。

3 技术原理

3.1系统组成

无人多旋翼任务系统，总体技术方案框图如图1所示;如图所示，无人多旋翼任务系统，由无人机、地面工作站构成。无人机，由多旋翼无人机、任务载荷组成;地面工作站，由数据链通信单元、工业控制电脑、飞行控制摇杆等组成。

3.2系统技术原理

3.2.1多旋翼无人机，通过对于螺旋桨微调的推力，实现稳定的飞行姿态控制、维持。经过上述，对于多旋翼无人机、常规直升机、固定翼飞机的对比，可以明显的看出，多旋翼无人机，在任务飞行方面，具有多能量的优势，从而更好的执行完成飞行任务，改善了飞行姿态维持，消耗大量能量的缺陷，从而更好的保证了其能量利用率，直接产生续航时间、载荷运输性能的提升;在结构方面，做了大量的简化，省去了传动机构，使其运行噪音、故障概率、维护成本大大的降低。

3.2.2无人机，与地面工作站之间的通信，通过设备数据链实现连接，起到通信中介的作用，同好也是无人机、地面工作站之间，实现地空信息交换的重要桥梁环节。以往无人机，对于地空信息的转换连接，只是普通的点对点通信，收到信号传输距离的影响，性能发挥受到严重的影响，只能实现一些简单遥控数据信号的传输。

但是本项目，对于无人多旋翼任务系统的研究，是通过数据链协议MAVLink的研究后，将其合理的嵌入到控制核心、地面数据链的ARM平台中，有效的改善了以往低空信息传输环节存在的问题，将其遥测、遥信、遥控、遥调、遥视这五遥很好的进行了统一，保证了通信之间的无障碍，从根本上解决了无人机和地面工作站的数据通信问题。其中涉及到的.五遥;其中遥测，是指对于远方的电压、电流、功率、压力、温度等模拟量进行测量;其中遥信，是指对于远方的电气开关、设备，以及机械设备的工作、运行等状态进行监视;遥控，是指对于远方电气设备、电气机械化装置工作状态的控制、保护;遥调，是指对于远方所控设备的工作参数、标准流程等进行设定、调整;遥视，是指对于远方设备的安全运行状态的监视、记录。

3.2.3传统的无人机，在飞行时需要通过人工对于遥控器的操作，对其飞行姿态进行的控制，体现出其自动程序的不完善，功能单调等缺陷。但是本项目对于无人机的研究，在地面工作站，通过飞行任务规划软件的配套，有效的改善了以往功能单一的缺点，直接增加了其功能性。其中飞行任务规划软件，具备GoogleMap高速API接口，实现对于无人机飞行航线，在三维地图上的简易规划，同时也能对其航线进行启动，使其实现自动巡航、执行飞行任务、返航等操作。

4 技术关键点及创新点

4.1技术关键点：

4.1.1地空信息的的数据通信。

先进智能装备数据链协议MAVLink的应用，能够对其所有数据进行有效的整合，并全部归纳在数据链路中，整合五遥操作，有效的降低了多种通信制式、通信模块存在等方面的问题，提高了通信效率，保证了通讯功能得以有效发挥。

4.1.2解决飞行姿态操控问题

嵌入式操作系统，在ARM处理器平台上的应用，加上陀螺仪等传感器、卡尔曼滤波等先进算法，从而更好的保证了控制系统的功能增加，除此之外，不仅实现了无人操作飞行，在飞行操纵方面，也有效的降低了能耗，增加了能量利用率。

4.1.3在工业控制领域应用的扩展

本项目以同一载具+多种载荷的建设、研究思路，针对于型号相同的多旋翼飞行器，设计一样的数据、电气、机械接口的任务载荷，实现快速更换载荷，使其飞行任务之间，能够良好、稳定的切换、衔接，保证该系统的实用性，同时也减少了任务执行的成本。

4.1.4增强地面工作站功能

通过C/S架构、C#语言、.net平台、三维GoogleMap、SQL数据库，以及地面任务规划软件、分析数据分析软件，从而更好的增强地面工作站的功能，以及自动化、智能化的程度,更好的为用户操作，带来更多的便利。

4.2项目的技术创新性

4.2.1在无人机、地面站，在植入数据链MAVLink的同时，加强整体系统功能的改进，有效的实现了五遥的综合统一。

4.2.2卡尔曼滤波、四元数算法，加上嵌入式ARM平台，对其飞行姿态实现有效控制。

4.2.3同一载具+多种载荷思路的研究，实现了无人机，对任务执行模式的有效转换。

4.2.4同时地面任务规划软件、分析数据分析软件的应用，提高了系统的控制功能，以及系统智能化程度。

5 总结

综上所述，通过对于无人多旋翼任务系统的分析，发现我国针对于此方面的研究，仍存在很多不完善的地方，该项目通过C/S架构、C#语言、先进智能装备数据链、分析数据分析软件等，照比以往的无人机飞行器，在系统功能改进方面，实现了遥测、遥信、遥控、遥调、遥视的统一;在任务执行模式方面，实现了灵活转换;在飞行姿态方面，实现了智能操控;是在已有多旋翼飞控技术的基础上，有效的规避了其以往的缺陷，同时自主飞行控制软件编程，这种飞控任务的提供，有效的实现了飞行中，自主导航智能飞行。

据美国《航空周刊》报道，知名的贝尔公司宣布其研制的第三代倾转旋翼机——V-280“勇气”被美军“多任务技术验证机”项目选中，按照该公司的说法，V-280在低速灵活性、高速大过载机动性能、燃油效率等各方面都大大优于V-22，并且能飞更远的航程，这都保证了“勇气”取代“鱼鹰”有充分的“技术合理性”。比“鱼鹰”更皮实贝尔公司商业代表承认，V-280的基础设计脱胎于“鱼鹰”，但更强调经济性。该机具备较高技术成熟度和作战水平，可像“鱼鹰”一样垂直起降，最大起飞重量约6.8吨左右，巡航时速为518千米/小时，作战半径可达1481公里，适合在高海拔地区执行远程作战任务。尽管设计思路脱胎于“鱼鹰”，但“勇气”毕竟与“鱼鹰”有所不同。与“前辈”相比，V-280旋翼机最明显的区别是发动机配置，其发动机机舱由倾转变为水平固定。按照贝尔公司的说法，这种设计可以使旋翼机在战区着陆时降低敌方火力的威胁。V-280在设计过程中始终坚持低成本理念，比起V-22高达380亿美元的研发经费，V-280的耗费少得多。从公开资料可以看到，V-280将V-22的前掠翼改为直翼，更加简化和流畅。同时，新型机还采用蜂窝复合材料生产大型整体旋翼，一来可减轻重量并降低成本，二来可对损伤进行实时监测。在当前愈发窘迫的财政压力下，美军最迫切的愿望是用最小代价实现最大回报，V-280的设计理念充分体现这一点。与传统直升机相比，V-280所用零部件减少了，但战场运输能力未受多大影响。贝尔公司介绍称，此次推出的V-280“勇气”旋翼机可一次运送11名全副武装的战斗人员，从运力来看，属于中型旋翼机。综合起来分析，无论巡航速度、续航力还是运输能力，V-280“勇气”都是一款性价比不错的旋翼机。继承“鱼鹰”优势V-280“勇气”并非从源头上创新，而是对V-22“鱼鹰”倾转旋翼机的继承和补充。作为贝尔和波音公司联合设计制造的首款倾转旋翼机，V-22“鱼鹰”的诞生，颠覆直升机的设计制造理论。当其推进装置垂直向上产生升力时，便可像飞行器垂直起飞、降落或悬停。起飞后，推进装置可转到水平位置产生向前的推力，像固定翼飞机一样飞行。这就使之兼有固定翼螺旋桨飞机的高速、长航程、低油耗的优点，又可垂直起降。1973年，贝尔公司着手这种倾转旋翼飞机的研究。25年后，首架“鱼鹰”开始生产并交付美国海军陆战队试用。V-280继承了“鱼鹰”的五大优点。首先是速度快，“鱼鹰”的巡航时速为509公里，最大时速可达650公里。这一点，新型V-280完全能与之媲美。其次是噪声小，倾转旋翼机因巡航时以固定翼飞机的方式飞行，噪声远比传统直升机的螺旋桨声音小。第三是航程远，“鱼鹰”的航程大于1850公里，若再加满两个转场油箱，航程可达3890公里。而V-280采用轻质机身材料，航程只会增不会减。第四是耗油率低，倾转旋翼机在巡航飞行时，因机翼可产生升力，相同时间内耗油率比常规直升机低。第五是振动小，倾转旋翼机的旋翼布局在远离机身的机翼尖端，且旋翼直径较小，因此座舱的振动水平比一般直升机低得多。除继承“前辈”优点，V-280也善于吸取前车之鉴，避免不少弯路。比如，V-280的研发直接在“鱼鹰”现有成熟的技术基础上进行，缩短研制周期。而“鱼鹰”的研制周期长达半个世纪，且目前的技术仍不是很成熟。而以“鱼鹰”为基础研发新型旋翼机，无疑会降低旋翼机的研制费用。要知道，倾转旋翼机是一项高新技术产品，技术复杂、难度高，要验证各项技术需要很高的费用。据估算，“鱼鹰”倾转旋翼机的研制总费用达380亿美元，海军型MV-22的单价更是达到4400万美元。而V-280在“鱼鹰”的基础上降低气动复杂性，该机不再采用“鱼鹰”的前掠翼设计，这使得其在旋翼机前飞速度很低且下降速度较大时，不会因陷入下沉气流而导致坠机。事实上，至今为止，“鱼鹰”倾转旋翼机已经发生多次意外事故。其中，一些事故是由于安装了不符合标准的零件和软件故障引起的，另一些事故则是由于遭遇了危险的涡环气流影响。正因为“鱼鹰”的可靠性和维修性不甚理想，美军才强烈要求贝尔和波音公司对发动机舱进行重新设计。V-280正是在这样的背景下诞生的。为更新换代做准备按照美军的预想，V-280研制定型后，将用于取代现役UH-60“黑鹰”及AH-64“阿帕奇”。据统计，美军现役直升机包括运输直升机、武装直升机、侦察直升机、反潜直升机、扫雷直升机、特种直升机、空中加油直升机和无人驾驶航空侦察器。其中，AH-64“阿帕奇”和AH-1“眼镜蛇”为美军现役主力武装直升机机型，CH-47“支努干”直升机专事运输，UH-60“黑鹰”和MH-60“铺路爪”则是多任务直升机。除较新的“鱼鹰”外，这些直升机的共同特点是，研制时间早，服役时间长。随着时间的推移，这些直升机的设备渐渐老化，维护保养越来越困难，难以满足美军作战需要。尤其是近几年来，美军现役直升机的可靠性越来越差，机毁人亡事件时有发生，这促使美军加速直升机装备的更新换代步伐。据悉，贝尔公司已为V-280旋翼机设计了两个类型：一种是通用型，可搭载11名战斗人员和4名机组人员。另一种是攻击型，用于取代AH-64“阿帕奇”直升机。为满足交付需求，贝尔公司正将精力集中在提升新型旋翼机的速度、航程及生产能力上。不过，也有专家指出，由于V-280“勇气”继承了“鱼鹰”的大部分理念，一些“鱼鹰”的固疾仍然存在，如在旋翼倾转过程中，机体稳定性仍有缺陷。而美国航空航天局所做的一项评估也发现，还有未知的航空力学现象威胁此类飞机的安全。由此可见，倾转旋翼机的许多技术仍有待进一步研究和验证。