一种新型串列式双旋翼飞行器

机械工程师MECHANICALENGINEER一种新型串列式双旋翼飞行器黄迅（五邑大学，广东江门529020）摘要：提出了一种新型串列式双旋翼飞行器。该飞行器采用上下串列螺旋桨设计，其中的一个螺旋桨固定，而另外一个螺旋桨可以摆动，以调整飞行器飞行姿态，达到控制飞行器飞行及保证稳定的目的。分析了国际上类似飞行器的发展概况及其特点，介绍了串列式双旋翼飞行器的机械结构设计方案。对飞行器的姿态控制问题进行了相应的理论分析，建立了动力学模型，并针对模型的特点改写了开源飞控APM。通过对控制系统及实际机械结构的试验，验证了方案的可行性。关键词：串列飞行器;双旋翼;姿态控制;APM开源控制器;飞行试验中图分类号:V279文献标志码:粤HUANGXun文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园员9）10原园096原园4ANewTypeofTandemDouble-rotorCopter（WuyiUniversity,Jiangmen529020,China））Abstract:Thispaperpresentsanewtypeoftandemdouble-rotorcopter.Thecopteradoptsatopandbottomtandempropellerdesign,oneofwhichisfixedbyapropeller,andtheotherpropellercanbeswungtoadjusttheflightattitudeofthedevelopmentofsimilarcopterintheworld,andpointsouttheadvantagesofthistandemdouble-rotorcoptercomparedsourceflightcontrolsystemAPMisrewrittenaccordingtothecharacteristicsofthiscopter.Thefeasibilityoftheschemeisverifiedbytestingthecontrolsystemandtheactualmechanicalstructure.

Keywords:tandemcopter;doublerotor;attitudecontrol;APMopensourcecontrolsystem;flighttest

toexistingsimilarcopter.Themechanicalstructuredesignfeaturesanddesignschemesofthecopterareintroduced.Onthecoptertoachievethepurposeofcontrollingtheflightandensuringthestabilityofthecopter.Thispaperintroducestheattitudecontrolproblemofthiscopter,thedynamicmodeloftandemtwin-rotorcopterisestablished,andtheopen

0

引言

随着四旋翼无人机飞控技术的成熟，四旋翼无人机的操控也越来越简单，正因如此，四旋翼作为一种垂直起降无人机的形式得以进入千家万户。而大疆、零度智控，以及国外著名无人机厂商3DR的出现，更是从无到有地建立起消费级及行业级无人机的市场。这个市场体量之大，竞争之巨，令人惊叹。

但是在目前的消费级无人机市场中，却几乎只有四旋翼无人机这单一形式的产品，目前国内外各大厂商几乎所有的开发和优化都是围绕着四旋翼无人机展开的。而四旋翼无人机虽然具有机械结构简单（只有4个旋翼，没有复杂的机械传动结构），只需要做好电路优化就能飞好的优点，但是其缺点也是显而易见的:4个旋翼加上机架所占的工作体积极宽，不利于钻进狭小的工作空间进行飞行，这也就注定了四旋翼飞行器在诸如楼内搜救、地震搜救、火灾搜救等方面的应用中存在局限性。

为了破解上述局限，并且为消费级及行业级无人机应用形式提出新的解决方案，本文提出了一种新的无人机布局，这种布局大大地减少了无人机的工作体积，并且具有结构简单、容易制造、效率高、续航长、体积小、携带方便等优点，完美解决无人机在狭小空间中的飞行问题，并且适合于搜救团队携带。1同类技术发展概况

在国际上，为了缩小垂直起降无人机的体积，各个著

名的无人机公司及研发团队已经进行了多种研究，并研发出多种方案。其中比较常见并且成功投入应用的主要有单轴无人机和共轴无人机两种机型[1]。1.1单轴无人机

单轴无人机是目前小体积无人机最流行的解决方案之一，它的结构通常如图1所示，由一个螺旋桨及螺旋桨尾流区的扰流片组成，通过扰流片的差动来调整姿态,以及抵消螺旋桨转动所产生的角动图1单轴无人机结构量，具有控制简单、机械结构简单的特点。但是其扰流片的存在会降低螺旋桨的升力效率，从而降低了续航性能，并且在通过扰流片调整姿态的同时，会存在升力降低从而导致飞行器掉高度的问题。1.2共轴无人机

除了单轴以外，共轴无人机也是一种常见的小体积无人机解决方案，这种方法直接依靠机械结构同步上下两个螺旋桨的转速，以使得整个系统角动量守恒，但是这种方案的缺点也十分的明显：用于转速同步的机械结构

96圆园员9年第10期网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com机械工程师MECHANICALENGINEER图2常见的共轴无人机图猿典型的共轴双桨转速同步结构（a）实物图俯视（b）实物图正视过于复杂，齿轮等各类传动零件通常要加工得很小，加工困难，并且在损坏后通常难以修复。而复杂的机械结构也给整个系统增加了很多质量，降低了有效载荷。2

串列式双旋翼设计方案

螺旋桨2上电动机1舵机连杆舵机连杆结构6下电动机3结构5图6飞行器总体实物图进行相应的实物试验验证。本文采用了APM开源飞行器控制器作为控制系统的载体[2-5]，在APM的软硬件架构基础上进行相应的二次程序开发，以最终实现控制效果。

飞行器的开源控制器是世界开源运动浪潮中的一分子。“开源”二字即意味着开放源代码，对于控制器来说，开源意味着又开放硬件又开放软件，开源团队们不仅会提供在项目成果发布时提供控制器的源代码，更会提供其电路图等硬件结构。因此，基于开源控制器进行相应的程序开发就具有了站在巨人肩膀上的优势。

在国际上开源飞行器控制器项目非常多，其中最为瞩目的开源飞行器控制器非APM莫属。APM（ArduPilotDrones）2007年推出的飞控产品，对应这个控制器，有开Mega）开源控制器，是由美国DIY无人机社区（DIY放源代码的ArduPilot飞行软件作为其软件开发平台。本飞行器控制的实现就是基于APM硬件和ArduPilot3.2.1飞行软件二次开发得来的。2.2.2硬件系统的连接

对于无人机来说，光有APM飞行控制器（下称APM飞控）是不够的，飞控还需要和遥控器接收器、数传、舵机等电子元器件进行连接才可以接线如图7所示。

其中，APM飞控必须用减震球进行相应的固定安装，因为飞控板载的上电动机电子调速器电动机电动机下电动机APM飞控数传总线数传上电机舵机1下电机舵机2信号线三相线上三相线电动机下电动机电子调速器电池（16.8V）2.1机械结构设计结合以上各类飞行

器的特点，本文创新性地提出了一种串列式双旋翼设计方案，本方案主体机械结构如图4所示。整个飞行器由上下两个串列的电动机及螺旋桨组成，其中，上电动机1及螺旋桨2是固定不动的，而下电动机3和螺旋桨4可

螺旋桨4图4机械主体结构示意图以由两个呈90毅分布的舵机连杆结构5和6牵引着进行两个自由度的摆动，从而调整飞行姿态并且保持飞行稳定。而角动量守恒则由控制系统配合上下两个反转的电动机（上电动机1和下电动机3）来共同实现。螺旋桨的安装采用正反桨的安装方式，上电动机安装正桨，下电动机安装反桨，上下电动机虽然反转，但是螺旋桨的吹风方向却依然相同，从而使得飞行器能够顺利地进行飞行。

球副连杆舵机表1元件清单表元件名称2216KV1400三相交流电动机ESP8266WIFI数传模块SG90金属齿模拟舵机数量22112本机械结构相对复杂的部分即为飞行器下电动机的矢量摆动结构，这个摆动机构的三维结构如图5所示，它

40A电子调速器（带BEC）WTF07遥控器接收模块正常使用，其元件清单如表1所示，硬件系统模块之间的

摆盘球副连杆舵机由一个摆盘及两组由舵机牵引的球副连杆组成，即舵机连杆结构5和6。虽

图5下电动机的矢量摆动结构然球副相对于一般的运动副来说，其配合间隙更容易产生振动，但经过实飞测试发现，这些晃动完全不会影响实际飞行的效果及控制精度。飞行器总体实物如图6所示。2.2控制系统2.2.1开发平台的选型

接收机总线遥控器接收机为了对所提出的飞行器机械结构方案及动力学方程

图7硬件系统接线示意图网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com圆园员9年第10期97机械工程师MECHANICALENGINEERMEMS微机电陀螺仪需要工作在依1g加速度的振动环境下产生危险。

2.2.3动力学模型的建立

Roll（滚转）力矩，令Tz=T合，此时，Tz、T1和T2的关系可以表示为

Tz=T2+T1cos鬃。

（2）

才能正常可靠地工作，否则将会在飞行过程中发生错误，

动力学模型的建立对于研究飞行器的动态过程来说

式中，鬃角为下螺旋桨与其中轴线夹角。出：

是非常重要的。所有对飞行器进行软件仿真的最关键步骤就是要建立一套可靠的动力学模型。

为方便分析，首先作出如下假设：1）飞行器为刚体且几何外形对称（或无惯量积）；2）升力作用线过质心；3）螺旋桨为刚体；4）重力加速度恒定;5）地面固连坐标系为绝对惯性参考系；6）只有螺旋桨受到气动力；7）飞行器在悬停状态附近运动；8）上下螺旋桨完全相同。

接下来将根据以上假设条件及经典力学的原理，推导出飞行器的质心动力学方程和绕质心动力学方程。

a.飞行器所受力和力矩的确定。

根据上面的假设6）可以认为，飞行器受的力主要来

而由于下螺旋桨偏角所产生的控制力矩可由下式给

L=T1sin鬃伊lcg。

（3）

其中，lcg为力臂，即产生力矩的分力距离质心的距离。推广上两式，可以得到X、Y、Z三轴的控制力Tx、Ty、Tz以及控制力矩Lx、Ly、Lz。

扇设

设设设设缮设设设设设墒

Tx=T1x,Ty=T1y,

（4）

源于重力和螺旋桨产生的气动力，而飞行器所受的力矩主要产生自螺旋桨本身的气动力。因此，要建立动力学模型，首先就应明确螺旋桨所受的力和力矩。根据文献，螺旋桨所受的力可以由以下公式推导得出：

扇设

设设设设设缮设设设设设设墒

扇设设设设设缮设设设设设墒

Lx=T1sin渍伊lcg,Ly=T1sin兹伊lcg,

Tz=T2+T1cos鬃;

（5）

式中：T1x和T1y分别为T1在X轴及Y轴上的分量；渍、兹、鬃分别为T1相对于X、Y、Z轴的角度。

b.重力。

根据假设4），且飞行器在飞行过程中质量不受损失，

杉山山山山删

Lz=T1sin鬃伊lcg。

T=

式中：T为螺旋桨所受升力；Q为螺旋桨所受气动阻力矩；籽

为大气密度；A为桨盘面积；赘为螺旋桨转速；R为螺旋桨半径；CT和CQ为螺旋桨的升力系数及阻力系数，被螺旋桨自身特性所影响。

而对于本串列式飞行器，在理想状态下其上螺旋桨和下螺旋桨是同速反转的。查阅文献[6]，发现在串列螺旋桨，并且假设8）的状态下，上旋翼会提供56%耀58%的升力，而其余的升力由下旋翼提供，这是由于下旋翼在上旋翼的尾流影响下会导致下旋翼翼根处的当地迎角减小，因此下旋翼的升力主要是由桨叶展向40%以外产生的。本文为了简化数学模型，认为上下旋翼产生的升力相同，即各占50%，

因此得其悬停受力如图8（a）所示，下电动机矢量调整姿态时如图8（b）所示。其中，灰色矢量为合力T合，T1和T2分别是下螺旋桨和上螺旋桨产生的升力。当飞行器要进行

T合T2T2T合2籽

Q=ACQ（赘R）R。

2籽2AC（；T赘R）2（1）

重力在坐标系下可以表示为

B山

RE山山山0=Gcos兹cos渍。

c.绕质心动力学方程。

杉山山山山山山山山山山删

0

G

煽衫衫衫衫衫衫衫衫闪杉山

山山山山山山山删

原sin兹

cos兹cos渍

煽衫

衫衫衫衫衫衫衫闪

（6）

定义螺旋桨转动惯量为Irot，则整个飞行器的惯量张量为

JxxJ=

Jyy

Jzz

煽衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫闪

。（7）

有绕质心运动学方程如下：

杉山山山山山山山山删

一般飞行器的转动惯量满足Jxx=Jyy=Jh，根据文献[1]，

·煽衫

衫·衫

衫衫闪

杉山

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p衫衫衫q

Jh原JzzJh

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=

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+

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杉山山山山山山山山山山山山山删

LxLyJhJh

煽衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫闪

；（8）

相应的姿态调整时，通常的情况是上螺旋桨和下螺旋桨产生一个偏角，以产生相应的Pitch（俯仰）以及

r=原

d.质心动力学方程。

m其中:

Irot赘LzQ

++。JzzJzzJzz

·

（9）

牛顿第二定律在机体固连坐标系下可以表示如下：

d+m（伊）=。dtB

杉山山山山山山山山删

（10）

T1T1（a）悬停受力图（b）矢量调姿受力图图8两种不同情况的螺旋桨受力=RE0+Ty

G

0

煽衫

衫衫衫衫衫衫衫闪

杉山

山山山山山山山山山删

TxTz原Ty

煽衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫闪

。（11）

98圆园员9年第10期网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com机械工程师MECHANICALENGINEER联立式（10）、式（11）并展开，得标量形式的质心运动学方程为

杉山·

山山山山山·山山山山山·山山删

制系统程序的修改。3实飞测试

在完成了飞行器相应机械结构的制造，并且对APM相应的内部程序进行修改，烧录到APM里面去之后，笔者对这种飞行器进行了室外测试，如图10所示。实测发现，在PID调好，并且APM本身的MEMS惯性元器件振动水平达标的情况下，无论是用飞控的自稳模式起飞期的设计指标。4结论

本文提出了一种可以应用于狭窄空间飞行的全新串列式双旋翼无人机方案。在提出方案的基础上，对应设计了相应的机械结构和实验样机，并通过修改开源的APM飞控实现了系统控制。最后成功进行了实飞测试，验证了这种飞行器的可行性。对无人机行业开发和制造这种便于在狭小空间使用的无人机具有参考价值。

[参考文献]

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2.2.4APM程序的修改思路

衫1+cos兹cos渍+pw原ru衫衫衫。（12）v=mTy

衫

cos兹cos渍qu原pv衫闪Tz原Ty

w

煽衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫闪

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rv原qw煽衫衫

ArduPilot中已经集成了成熟的PID稳定算法，其控制流程

作为一款成熟的多旋翼飞控，APM的开源软件

如图9所示，而其控制量为角度。由图可知，其Roll及Pitch轴的控制方法是几乎一样的:首先根据板载MEMS陀螺仪的回传参数及遥控器实际输入，得到Roll及Pitch轴期望角度（target_angle）与实际角度的角度差（angleerror），接着将角度差乘上PID算法的角度系数Kp然后限幅，此值将作为角速度期望值（target_rate）。而角速度期望值与板载（rate_error）后，再乘以Kp得到比例环节调节量。而对于积分环节来说，程序在I环计算出的调定值小于限幅值或者MEMS陀螺仪得到的当前角速度作差，得到角速度误差rate_error与I环计算出的调定值异号时将rate_error累加D，得到D环调整量。最后，将前面求到的P、I、D三个环的调整量相加并限幅，得到最终PID输出。

期望角度角度环角速度环angle_PID控制器target_rate_PID控制器errorrateerror反馈当前MEMS角速度陀螺仪反馈当前角速度矢量电动机摆动图10室外实飞试验图还是气压定高模式起飞，飞行效果均十分良好，达到了预

到I中，得到I环最终调整量。前后两次rate_error的差作为

3D姿态图9APMPitch、Roll两轴控制流程示意图偏航轴（Yaw）的控制算法和Roll及Pitch轴略有不同，

是将打舵量和角度误差的和作为角速度内环的期望值，这样可以获得更好的动态响应。而角速度内环和横滚与俯仰的控制方法一致。

PID控制器出来之后的最终PID输出，是直接输入到电子调速器ESC（electronicspeedcontroller），在APM中，PID控制器的输出量被直接用于输出到ESC中并且由ESC控制四旋翼的4个电动机的转速，从而改变4个旋翼所产生的推力，进而改变飞行器的姿态。

因此，只需要将Roll和Pitch改为可以驱动舵机的PWM信号，并且只将Yaw轴的输出量输入到控制串列飞行器电动机的两个电子调速器（ESC）中，即可以完成控（上接第95页）

从原来的每月检修一次到现在每年检修一次即可，不仅降低维修人员的劳动强度，也提高设备稳定性。该项改进结构简单、可靠，使用寿命长，减少了原辅材料的浪费，提高了设备效率。目前，该项改进已在车间其他同类设备上进行了推广，但上述改进还有不足之处，将在以后的使用过程中进一步改进。

[参考文献]

[1]上海烟草机械有限责任公司.ZB45型硬盒硬条包装机组:机械作者简介:黄迅(1996—),男,本科生,机械工程专业。收稿日期:2019-04-10[2][3][4]张保振,张永跃.钳工[M].北京:机械工业出版社，2001:117-128.濮良贵.机械设计[M].北京:高等教育出版社,1990:375-379.工业出版社,2009:15-16.（责任编辑于惠力,李广慧,尹疑霞.轴系零部件设计实例精解[M].北京:机械部分主机（下）[Z].马忠臣）作者简介：徐友良（1969—），男，本科，工程师，主要从事设备管理等工作。收稿日期：2019-04-24网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com圆园员9年第10期99