变桨距多旋翼无人机研究进展

邵猛

摘要：如今，大部分多旋翼无人机使用的是螺距角不可变的固定桨距旋翼，虽然这类旋翼结构使机身变得相对简约，但其不仅影响了动力机构的控制质量，还限制了能量效率的提升，一旦出现动力失效问题，无人机极易发生坠机且无法挽救。要想将这些问题解决，多旋翼无人机就需使用变桨距结构。基于此，本文围绕变桨距多旋翼无人机的原理以及研究进展等均进行了分析和探讨。

关键词：变桨距；多旋翼无人机；研究进展；原理

最近几年，在无人机领域发展最快的要数多旋翼无人机，该机不仅结构简单，行动能力也极为灵巧，再加上机动性与操控性能强，也使得多旋翼无人机在我国军事作战等工作中得到了广泛的应用^[1]。在商业领域，中国大疆等无人机公司针对不同行业与人群推出了很多多旋翼无人机产品，更多大型的互联网公司更是针对多旋翼无人机的应用进行了大力研发。同时各国的科研部门与高校均展开了多旋翼无人机的研究，随着动力电池技术以及微处理器的优化、完善，多旋翼无人机也进入了发展的黄金时期。

1. 变桨距多旋翼无人机原理特点和应用

与普通多旋翼无人机的工作原理类似，以六旋翼无人机为例，6只螺旋桨按正反交替的旋转方向均匀设置在几何对称的机臂末端，如下图所示。

图1 六旋翼无人机飞行原理示意图

在6只旋翼的推动下，飞行器的动力学不仅有了总推力，在绕机体坐标系的三个轴上也产生了转矩作用，这样螺旋桨的推力f=[f1,f2……f6]^T，总推力F=⁶Σ_i=1fi （1） 产生的转矩则是T= f （2）其中l代表的是电机轴到飞行器中轴的距离，k指的是转矩系数。因为旋翼数量多于动力学状态，所以在飞行控制时需求解公式（2）中的矩阵才能找到均衡动力分配的对策。

与传统固定桨距多旋翼无人机不同，使用变桨距结构，机身结构会更加复杂，动力输出控制也变成转速与桨距攻角联动控制^[2]。通常情况下，在不改变电机转速控制的前提下，对于变桨距飞行器还要设计更加简洁的变距机构，而桨距攻角控制的球杆也要保证其安装与控制的精度。

1. 续航时间久，飞行能力强

由于锂聚合物电池正处于发展中阶段，在此背景下的传统固定桨距旋翼式无人机的续航无法得到延长。将变桨距结构安装到多旋翼无人机，旋翼的推力控制会随之分解，转速与桨距角都可得到有效的控制，无人机的续航能力也会提高，这样多旋翼无人机便可参与到时间长的飞行任务中。

由于单纯电机的转速变化会影响执行效果，致使传统多旋翼无人机的瞬间响应速度过慢，而飞行动作也会超调量，这在很大程度上都会影响其飞行能力。对于变桨距多旋翼无人机而言，通过高速舵机便可控制桨距的变化，因桨距角可翻转为负度角，飞行器的可控飞行角度也可扩充到正负180⁰。随着变桨距结构的使用，多旋翼无人机的飞行场景也可得到扩展，无人机也可拥有特技飞行与穿越飞行等能力，而这在对于特种飞行有着较大需求的军事领域，变桨距多旋翼无人机的应用前景更为广阔，如下图所示。

图2 变桨距多旋翼无人机可完成的倒立飞行动作

2. 拥有自转着陆能力

负桨距不仅能优化无人机的特种飞行能力，还能将无人机的动力失效问题有效解决。所谓动力失效，即无人机在飞行期间由于动力源不足或动力机构出现故障导致旋翼失去动力。据统计，超过40%的多旋翼无人机事故均是由动力失效导致的，此类飞行事故不论是对商用、军用还是民用领域，都会造成极大的损失。要想将动力失效问题解决，就需借助自转着陆技术，如今该技术在单旋翼直升机领域已取得较大的成就^[3]。单旋翼直升机在飞行期间一旦失去动力，机载飞控系统便会立即响应，将旋翼调整成负螺距状态，这时飞行器在原旋转方向上可快速吸收能量并保证桨叶的转速无异常，在接近地面时也可依据旋翼存储的动能与正螺距作用确保飞行器能平稳着陆，如下图所示。

图3 单旋翼直升机在动力失效情况下的自转着陆

2. 变桨距多旋翼无人机的研究进展

1. 美国麻省理工研究的变桨距四旋翼无人机

如今，针对小型变桨距多旋翼无人机理论研究与飞行实验最为丰富的便是美国麻省理工的ACL实验室。该实验室设计的变桨距四旋翼无人机是以中国台湾成功大学研制的原型机为基础进行升级改造的，他们将一台电机作为飞行器的几何中心，借助皮带使各机臂末端拥有旋转动力，4只螺旋桨的转速始终相同，仅通过桨距的变化来调节其升力^[4]。不过受到该设计结构的影响，机身会出现较大的振动，最终会使整个无人机的自动控制功能无法有效的发挥。此后该实验室重新研制了变桨距四旋翼无人机，他们使用了空心轴电机，并用碳纤维控制杆贯穿电机轴，在电机顶部借助球杆控制螺距攻角，在底部使用舵机牵引控制杆进行移动。该设计主要源自直升机控制主桨结构，将舵机安装在电机下方也会降低舵机所需的控制力矩，这样桨距的控制效率会大幅度提高。而且在舵机的作用下，4个动力执行机构的安装精度也能得到保障，随之无人机机身的振动程度也会得到控制。

2. 国内变桨距无人机的研究

我国北京航空航天大学针对变桨距四旋翼无人机的建模和控制问题进行了大量研究，也利用仿真对算法进行了成功验证，不过在无人机动力机构的优化与飞行器实验等方面并未涉及。自2014年开始，北京理工大学与中航维拓公司均申请了油动变距四旋翼无人机专利，他们着重研究了无人机机身结构的设计与动力传动系统连接问题。在2015年，中航工业直升机实验室成功试飞变桨距四旋翼无人机，次年便与易瓦特科技公司签订了合作协议，并致力于旋翼结构对长航负荷造成影响的研究。而由创新工厂投资的浩恒征途学生创业团队也成功开发出适用于农业植保的油动变距多旋翼飞行器^[5]。如今，我国拥有的变桨多旋翼无人机研究成果不多，且研究重点都放在了无人机动力系统协调方面，这也使得对自主控制问题的研究力度较为薄弱。

结束语：

总而言之，变桨距无人机综合了单旋翼直升机的机构特性，这也致使多旋翼无人机突破了发展瓶颈。变桨距多旋翼无人机不仅参考了固定桨距多旋翼无人机的控制算法、单旋翼直升机的自转着陆技术，同时也采用了多旋翼无人机的结构优化与控制对策，这也使其做到了取长补短。随着世界各国对变桨距多旋翼无人机的大力研究，不但提高了多旋翼无人机在各种环境下的适应与飞行能力，还扩展了无人机在各领域的应用前景。如今各国研究的多旋翼无人机问题大多是实际发展与应用中存在的问题，随着研究力度的增强，多旋翼无人机在控制科学领域取得了快速的发展，在理论创新上也迎来了机遇和挑战。

参考文献：

[1] 吴湘莲,沈旭东. 变桨距四旋翼飞行器的研究[J]. 电子制作,2021(4):20-21,5.

[2] 林文炜,曹恒丰,吴湘莲,等. 可变桨距多旋翼无人机的制作[J]. 电子制作,2020(22):5-6.

[3] 徐智文,郑恩辉. 射桨故障下四旋翼无人机姿态控制研究[J]. 计算机仿真,2020,37(6):59-64.

[4] 刘卫宏,陈顺峰,黎建. 多旋翼无人机在机动应急广播中的应用分析[J]. 电视技术,2021,45(2):42-44,51.

[5] 陈友鹏,李雷,赖刘生,等. 多旋翼无人机的特点及应用[J]. 时代汽车,2021(16):20-21.