基于第一视角便携式无人侦察机系统

摘 要：基于第一视角的便携式无人侦察机系统采用第一视角操纵方式，可以进行超视距飞行操作，扩大其工作半径。利用AutoCAD，XFLR5，CATIA等软件制图、仿真模拟软件，结合已有知识进行创新实践研究。项目组完成了无人机载机设计，图传设备的选择与改进，图像传输、采集等任务。飞机整体设计为滑翔机结构，有较大的推重比。应用OSD（on-screen display的简称即屏幕菜单式调节方式）模块，实时显示航向，倾角等飞行数据，有利于地面控制者操纵。此飞机以第一视角方式操作可用于科研实验、事故搜救、军事侦察等不同场合，且航线比计算机程序操纵的无人机更加灵活，成本低廉，应用广泛。

关键词：模型飞机；第一视角；便携式

随着国民经济的不断发展，无人机已逐渐进入公众视野。不可否认，无人机的应用提高了工作效率，改变了一些行业的生产方式，甚至有专家预言无人机会带来新的革命。

在无人机普遍发展的大环境下，项目组成员提出了“基于第一视角便携式无人侦察机系统”的设想，并进行了实践。本系统能够实现快速拆装飞行器，整套设备能放置在便携式容器中（长宽高之和不超过1600mm）。飞行器操纵简单，借助由飞行器摄像头采集，实时传输到地面站的视频信号，飞手进行第一视角飞行，能完成侦查任务且不需要云台手，导航手协助。飞行器采用模块化设计，容易修补，制作成本低。

1 飞行器的设计

1.1 飞行器总体布局及设计参数

1.1.1 翼型与机翼平面形状的选择。根据项目要求我们需要飞行器携带图传设备和摄像头进行第一视角侦查飞行任务，因此飞行器需要一定的载重能力，其次由于要进行视频图像的传输，要求飞行器在飞行过程中有较强的稳定性。

第一步确定翼型，综合考虑由行器的载重与稳定性我们选择了在航空工业上赫赫有名的CLARK Y翼型，这类翼型的飞行器最大的特点是有较大的载重能力并且在飞行中的稳定性很好，但是缺点就是飞行阻力较大，考虑我们的飞行器在飞行过程中相对速度较慢其带来的阻力较小，影响不大。（如图1）

矩形机翼的剖面形状沿展向保持不变，这种平面形状在气动上不是最好，因为它的翼尖部分对升力贡献较小，没有承担飞行器的重量载荷。但矩形翼具有制作简单，计算机软件模拟准确高等特点。并且，本项目飞行器在相对低速的环境下运行。通过查阅文献得知，低速情况下矩形机翼与梯形机翼性能相似，遂采用矩形机翼。

1.1.2 设计参数（如表1）

1.2 XFLR5计算机软件模拟

1.2.1 翼型空气动力学分析。为了验证CLARK-Y型翼是否适用于我们的飞行器，我们对它进行空动力学分析。首先计算雷诺数。雷诺数――空气中运动的物体受到空气的黏性力和惯性力的比，简单解释就是空气分子运动中有质量由速度，遇到物体就会对物体有力产生。主要参考规律，飞机越大雷诺数越大，受到黏性力的成分越少。

雷诺数=（流体密度/粘滞系数）*速度*长度

带入常数与相关标准值进一步得到简缩公式：

雷诺数=68459*速度*长度

银川本地海拔约为1100米，空气密度较标准值较小（约为标准值的76%），且地处西北内陆，空气湿度（粘度）较小，这些数据难以监控与测量。但是由简缩公式易知此两项变量对于最终结果的影响在可接受范围内，故可使用此公式。预设飞行器的飞行速度在15M/s，算得雷诺数为22000。

我们选用的CLARK-Y型翼在机翼迎角约达到20度时，升力系数有骤降的趋势，但此时的升阻比仍约30，且俯仰力矩系数曲线的梯度为负值，不易产生失速。所以我们选择的翼型具有失速范围宽，升力大等特点。（如图2、图3）

输入相关参数，经过软件模拟，机翼的迎角范围理论上可达到-10°到30°，符合载机的工作范围。机翼翼尖产生的湍流对机翼整体的影响较小，符合设计要求。机翼各部分受力在预期的范围内，制作材料的刚性可以满足预设条件。（如图4）

综上，我们可以在飞行器上采用CLARK-Y型翼。

1.2.2 平垂尾的选择。水平尾翼和机翼的功能恰恰相反，它是用来产生负升力的，它起的作用是抬头力矩，以达到飞机配平的目的。水平尾翼的面积应为机翼面积的20-25%。我们选定22%，计算后得出水平尾翼的面积为61490平方毫米。同时要注意，水平尾翼的宽度约等于0.7个机翼的弦长。在低速条件下垂直尾翼是用来保证飞机的纵向稳定性的。垂直尾翼面积越大，纵向稳定性越好。垂直尾翼面积占机翼的10%。通过计算，垂直尾翼面积约为21511平方毫米。

1.2.3 便携式设计。在设计时我们将原本1300mm的机翼设计为三段式。暨中翼段640mm和两个对称的外翼段330mm，而机翼的链接我们用合页将中翼段和外翼段链接，用弹片将其固定。同时，项目组创新的采用了伸缩式机身尾杆。将碳纤维方杆与雨伞的卡扣结构相结合，增强了垂尾的抗扭曲性能，而且这样我们就可以最大程度的减小了飞行器所占用的空间，达到便携式的目的。（如图5）

1.3 飞行器电子设备的选择

1.3.1 飞行器动力系统的选择。对于电动机的选择，项目组本着节约的原则，选择了Sunnysky公司生产的2216，KV1250型号的电机，即定子直径为22mm，定子厚度为16m，轴径3.17mm。根据电动机的选择，选用APC 1047螺旋桨。经过测试此螺旋桨与电机搭配时的拉力可达到1300g左右。（如图6）

1.3.2 舵机等设备的选择。根据电机用户手册的电流值，选择电子调速器为SKYWALKER，40A。但是后期电调发热严重，为了安全考虑，选择了SKYWALKER，50A电子调速器作为代替。由行中副翼，升降舵受力较大，且对旋转角度要求比较精准，所以采用了扭矩较大的金属齿数字舵机。选择了若干EMAX，ES08AII型舵机控制舵面。电池组采用格氏2600mah，25C，锂离子聚合物电池。

2 图传设备的研究

2.1 图传设备的选择

常规的图传包括5.8GHZ图传、2.4GHZ图传、1.2GHZ图传这三种图传，但是现在越来越多的人在使用2.4GHZ的遥控设备，它会与2.4GHZ图传产生干扰会使得图传回传视频图像干扰和遥控设备遥控距离的缩减，而我们所用到遥控设备正好是2.4GHZ所以起初没有考虑2.4GHZ图传设备。我们现有图传设备如下：

设备1：Aomway5.8GHZ图传 功率 1000mwh

设备2：DJI大疆5.8GHZ图传 功率 200mwh

设备3：Aomway1.2GHZ图传 功率 200mwh

我们将这三种设备进行了一次较为科学完善的实验，通过实验发现通常应用的图传设备能不能满足我们是项目要求。（如图7）

此外，通过实时观测发现，这三款图传的延迟都很高大约在2S左右，考虑到飞行器的飞行速度约为15m/s左右，这大约两秒的误差足以造成不可挽回的事故。为了选择真正适合的图传设备，项目组的目光投向了2.4GHZ图传设备。为了少走弯路，项目组将图传直接定位在高清数字图传，最终选定了一款理论传输距离达2km，支持1080p高清数字图传的设备。接下来，项目组对于图传与遥控器的干扰问题进行探究。（如图8、图9）

查阅了大量资料，我们了解到2.4G图传与遥控器设备的严重干扰是小概率事件的，通过实际测试发现，遥控器与图传的干扰确实存在，但是在总计102架次飞行中，严重干扰的情况没有出现。传输图像的清晰度符合第一视角飞行要求。最终我们选择了DJI lightbridge数字图传作为图传设备。

2.2 OSD模块的应用

应用OSD模块后，可将GPS信号、运动传感器等信号叠加显示在显示屏幕上。这样，飞手在屏幕上看到的不仅仅是传回来的高清图像，还有实时显示的航向，倾角等飞行数据，便手对飞行器姿态进行判断与调整。（如图10）

以下是该OSD模块的基本参数：

（1）OSD模块大小：47*26*8毫米；（2）模块重量：20克

（含GPS模块）；（3）工作电压：7～16.8V （支持3S 4S电池）；（4）工作电流：小于100毫安（12V）；（5）双路电压检测范围：0～16.8V/0～30V

我们将飞行器动力电源引出一根供电线连接在OSD模块的电源端，实现对OSD模块和GPS模块的供电。并实现实时数据传输。

2.3 总装与第一视角飞行实验

总装时采用舱壁与设备软连接的方式，采用泡沫塑料模具填充，可起到保护减震等作用。总装后试飞成功。后续试验中飞行器出现了大角度转弯失速的状况。根据项目组的推测以及相关数据的支持下，我们调整了副翼的角度，解决了问题。在经过了反复的实验与调整，飞行器最终可以完成预期的目标。

为了更好地检验本项目的成果，“基于第一视角便携式无人侦察机系统”项目组成员与航模队成员进行整编，组成两组队伍，组成两个任务组，应用项目的相关成果，参加2015年度“中国国际飞行器设计挑战赛”。夺得一等奖，二等奖各一项。

参考文献

[1]张炜，苏建民，张亚锋.模型飞机的翼型与机翼[M].航空工业出版社，2007.

[2]谭楚雄.模型飞机调整原理[M].航空工业出版社，2010.

[3]于海龙，邬伦.森林火灾现场视频图像传输方案研究[J].地理信息世界，2004，4：40-44.

[4]刘树昌，刘鹏，王延海，等.大容量高速视频图像传输技术研究[J]. 吉林大学学报（信息科学版），2011，1.

[5]W.L.Stutzman，G.A.Thiele.天线理论与设计[M].人民邮电出版社，2006.

作者简介：匡银虎（1973-），男，高级工程师，研究方向：电路与系统。

刘明远（1995-），男，宁夏大学物理与电子电气工程学院本科生，研究方向：飞行器设计。