任苍斯1梁建宏1张代兵2
（1北京航空航天大学机械工程及自动化系，北京，100191；2国防科学技术大学机械工程及自动化系，长沙，410073）
摘 要
多轴飞行机器人与固定翼飞机相比具有可悬停、可垂直起降的优势；涵道推进器在同等直径下具有更大的吸收功率和推力。本文结合两者优势，设计并试验了一种并联式油电混合动力的多轴飞行机器人，并针对该飞行机器人悬停定位精度和续航时间展开研究。通过实验证明，该飞行机器人能够在空中保持稳定悬停，与单一电驱动的飞行机器人相比，续航时间更长，有效载荷重量更大。
关键词：机器人，油电混合，多轴飞行，续航时间，有效载荷
当今飞行机器人在航空摄影、地质勘探、农业植保、灾难救援等行业具有广泛的应用。飞行机器人与载人飞行器相比，具有使用方便、成本低、用途广泛等优势，而多轴飞行机器人与固定翼飞行器相比，具有可悬停、可垂直起降的优势［1-2］。但是，由于电池技术的发展限制，多轴飞行机器人普遍续航时间较短，载重能力较低，仅能满足航拍、测绘等轻载荷任务的需求，却无法满足地震救援、农业植保、物流运输等需要长航时、大载荷的工作任务需求。
针对当前单一电驱动多轴飞行机器人续航短、载重小的问题［3］，本文结合油动涵道推进器具有同等直径下吸收功率大的优点，设计了一种并联式油电混合动力多轴飞行机器人（下称混动多轴飞行机器人），该混动多轴飞行机器人采用汽油发动机驱动的中置涵道式推进器提供一部分升力，六个盘式电动机布置在混动飞行机器人外围提供另一部分升力和姿态调整动力［4-5］。该混动多轴飞行机器人如图 1所示。经过试验，该混动飞行机器人能够在搭载5kg载荷的情况下，悬停40min。
图1 并联式混合动力多轴飞行机器人
1.1 混动多轴飞行机器人特点
1）本文设计的混动多轴飞行机器人采用并联式油电混合动力系统，中置涵道推进器提供部分升力，外围六个盘式电动机提供另一部分推力，同时通过改变六个盘式电动机的动力输出分配比能够调整该飞行机器人的合升力输出方向，从而保证该飞行机器人稳定悬停或平稳飞行。双动力系统设计可以延长飞行机器人的续航时间，提高飞行机器人的载重能力。经试验测定，该混动多轴飞行机器人能够在搭载5kg载荷的情况下，悬停40min。
2）该混动多轴飞行机器人的六个盘式电动机采用桨叶上下错位布置，这种设计能够在飞行机器人总体体积较小的情况下采用尽可能大的桨叶，桨叶在转动过程中不会产生干涉打桨问题。经试验，该混动飞行机器人具有在6m2的空间内起飞降落的能力。
3）该混动多轴飞行机器人飞行控制系统内部具有一套高精度捷联惯性导航系统，该套惯性导航系统工作在INS/GPS组合导航模式下，能够将内部高精度陀螺仪、电子罗盘、气压计等传感器数据与外部接入的差分GPS数据融合，实时解算出当前飞行机器人本体的姿态、速度、位置等运动信息。根据这些信息，系统控制该混动飞行机器人的涵道推进器和六个盘式电动机的动力输出；通过优化该混动多轴飞行机器人的控制参数，该飞行机器人能够在强气流的条件下被稳定控制，实现从某一特定位置向另一位置的自主运动导航。
1.2 混动多轴飞行机器人动力系统设计
该混动多轴飞行机器人采用并联式油电混合系统作为动力系统输出。飞行机器人中部采用小松G800BPU型双缸对置油动推进器作为辅助动力输出，该推进器自重3.6kg，功率为5.51kW，配合五叶14寸定制木桨提供垂直向上升力。油动推进器外部采用轻木罩导流。
外围大扭矩盘式电动机采用六轴布局方式，电机型号为恒力源牌Q9XL KV100型8318盘式电机，该型号盘式电机支持8-14S动力电池供电，重量695g，尺寸为φ92mm×40mm。
与普通的直立电机相比，盘式电机具有散热好、与大尺寸桨适配的优点。盘式电动机螺旋桨采用与电动机适配的3080碳纤维螺旋桨，与上述盘式电动机配合，能够提供更大的推力。该维螺旋桨长76cm，单支重量106g。
采用上述Q9XL KV100型8318盘式电机与3080碳纤维螺旋桨配合，在12S（48V）的动力电池供电情况下，该型号电动机与桨适配的电流与力效关系如表 1所示。
表 1 电机电流与拉力、功率、力效关系表
电流/A拉力/g功率/W力效/（ g / W）6 2870 288 9.965 12 4580 576 7.951 18 6090 864 7.049 24 7350 1152 6.380 30 8400 1440 5.833 36 9480 1728 5.469 42 10400 2016 5.159 46（MAX）11000 2208 4.982
电子调速器选用好盈XRotor 80A-HV型号无刷电调，该电子调速器针对盘式电机的结构特点进行了优化，支持4-12S电池，可持续输出80A电流，重量为106g。
电池选用格氏TATTU 22000mAh动力锂电池，电池电压为22.2V，放电25C，单体重量2.6kg，4组单体电池采用两串两并方式供电。
该混动多轴飞行机器人主要结构件采用碳纤维材料，碳纤维材料能够在保证整机结构强度的同时，最大程度地减轻整机自重，从而起到延长续航时间，提高有效载荷的效果。
1.3 混动多轴飞行机器人控制系统设计
该混动多轴飞行机器人的控制系统框图如图 2所示。
图2 混动多轴飞行机器人控制系统框图
该混动多轴飞行机器人控制系统由飞行控制器、差分GPS等运动感知传感器组成。飞行控制器内部集成有高精度陀螺仪、加速度计、气压计和电子罗盘，同时接收外部差分GPS数据输入。飞行控制器内部采用一颗ARM Cortex-M4高速处理器将采集到的传感器数据和外部输入的差分GPS数据融合，通过INS/GPS导航算法，时刻解算当前飞行器的姿态、速度、位置等运动信息。
飞行控制器可以工作在自主飞行模式下，处于自主飞行模式的混动多轴飞行机器人能够按照预先设置的航点自主飞行。
飞行控制器通过无线网桥与地面站软件通信，能够将飞行控制器内部数据以10Hz的频率回传至地面站，地面控制人员通过地面站软件获知飞行机器人的一切状态。
2.1 混动多轴飞行机器人载重能力分析
该混动多轴飞行机器人采用的油动推进器在额定转速下能够提供9.8kg辅助推力，每组盘式电机额定状态下提供4.58kg助推力。产生的总推力为37.28kg，如表 2所示。
表 2 混动多轴飞行机器人推力表
单量/kg数量总量/kg油动推进器辅助升力9.8 1 9.8盘式电机主升力4.58 6 27.48总升力37.28
该混动多轴飞行机器人采用4组6S1P 22000mAh动力锂电池，电池总重量为10.4kg。搭载燃油重量1.5kg。该混动多轴飞行机器人的起飞重量如表 3所示。
表 3 混动多轴飞行机器人重量表
重量/kg数量总重量/kg动力电池重量2.6 4 10.4涵道动力系统重量3.6 1 3.6燃油重量1.5 1 1.5盘式电机系统重量（含螺旋桨、电调）0.96 6 5.76结构重量6 1 6飞控导航系统重量0.5 1 0.5总重量27.76
理论上，该混动多轴飞行机器人最大载荷重量约为9.52kg。
2.2 混动多轴飞行机器人续航能力分析
若提供辅助升力的油动推进器系统不参加工作，将油动推进器重量和燃油重量从混动多轴飞行机器人总重量中去除，仅电动多轴飞行机器人空机起飞重量为22.66kg，平均每组盘式电动机提供升力3.78kg。根据表 1中数据插值计算得出当前单组盘式电动机功率约为441.26W。六组盘式电动机总功率为2648W。那么未加载油动推进器的多轴飞行机器人可持续工作时间约为45min。
若提供辅助推力的油动推进器系统参加工作，该混动多轴飞行机器人空机总起飞重量为27.76kg，该起飞重量除去主油动发动机产生的9.8kg推力后，六组盘式电动机提供总升力为17.96kg，每组旋翼提供平均升力为2.99kg。根据表1中数据插值计算得出，当前单组电机功率为308.71W，六组旋翼总功率为1852W，则该混动多轴飞行机器人理论上可持续工作时间约为63min。
上述两种情况下得电机工作点如图 3所示，其中红色虚线为无油动推进器时工作点，蓝色虚线为有油动推进器时工作点。
针对本文设计的并联式油电混合动力多轴飞行机器人，设计以下试验测试并验证该混动多轴飞行机器人的性能。
图3 有/无涵道推进器盘式电机工作点
3.1 油动推进器参与工作对飞行机器人续航影响试验
2015年7月在北航体育场进行纯电动与混动多轴飞行机器人续航时间对比测试。如图4所示。未载有油动推进器和燃油的多轴飞行机器人起飞重量22.66kg，起飞至悬停高度后连续飞行至电池发出低电量警报为止，实测飞行时间38min。
将电池充满电后，载有油动推进器和1.5kg燃油的混动多轴飞行机器人起飞重量27.76kg，起飞至相同悬停高度后连续飞行至电池发出低电量警报为止，实测飞行时间54min。
通过实验对比发现，混动飞行机器人在油动推进器参与工作的情况下仍能够保持稳定悬停，续航时间得到明显提升。
图4 混动多轴飞行机器人续航时间测试
3.2 油动推进器振动对飞行机器人控制影响试验
在3.1的试验中，该混动多轴飞行机器人稳定悬停时，通过地面站软件分别对两次飞行机器人稳定悬停情况下的遥测数据进行等频率记录。两次悬停的GPS数据点如图5所示。
图5 油动推进器是否参与工作状态下GPS轨迹
由图 5可以看出，在油动推进器参与工作的情况下，该混动多轴飞行机器人稳定悬停时的运动范围要稍大一些，但该飞行机器人仍能够保持稳定可控状态，不会因为油动推进器工作时带来的振动导致飞行机器人失稳。
3.3 混动多轴飞行机器人特定物体抓取及投放试验
经测量，被抓取的保龄球重量为5.06kg，抓持机构重量为3.1kg，飞行器总载荷量为8.16kg。
该混动多轴飞行机器人将待抓持保龄球定点抓取后，自主飞行至投放点上方，将球投放入指定容器中。如图 6所示。本次飞行试验共测试投放6次，其中成功投放3次，单次抓取投放累计时间小于3min，证明本文设计的混动多轴飞行机器人具有自主完成一定的带载工作任务的能力。
图6 物体抓取投放演示试验
本文设计的并联式油电混合动力多轴飞行机器人能够在空中稳定悬停，相比单纯电动多轴飞行机器人能显著延长续航时间，提高载荷能力，并能够在自主导航算法控制下完成一定的工作任务。
参考文献
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