森林侦察防火无人机研究与设计

李桂贤 陈文会 陈诗亮 于臻言 黎敏盈

北京理工大学珠海学院

摘要

我国的地域辽阔、森林覆盖率高，造就秋季森林火灾的时常发生。为了实现自动化，高效率地抢救人民的生命财产以及森林资源。本文根据火灾发生时对作战任务的需求，研发并设计了一款针对于森林防火的固定翼无人机。根据任务需求飞机最大起飞重量需达到3kg、最小转弯半径需达1.5m及最小飞行速度为12m/s进行设计。针对目前市场上无人机无法实现大迎角侦察飞行、升阻比低及滑翔性能差等问题，在设计中采用以下几点改进措施：一是采用常规气动布局设计实现大迎角不失速飞行，此布局的飞机适合大迎角，大过载飞行，符合执行任务过程中飞机需要大迎角侦察的要求；二是飞机机体阻力对应下降，飞行器的升阻比K显著提升；三是采用了机翼上反角设计以提高其滑翔比。本款便携式森林防火无人机能实现在日常森林巡视中，全覆盖侦察森林的状况，争取一旦发生火情迅速开展灭火工作；火灾发生时，通过对地形地貌的侦察，有效规避救援人员及时避开有毒易爆等区域，最大程度上保证了救援人员的性命安全。同时，还可以对起火点进行定点灭火。

关键词：森林侦查 无人机 防火

一、防火无人机的现状研究

无人机源于20世纪初，当时它只作为军事训练靶机，仅起到训练工具的作用。而真正运用无人机于军事作战任务武器是在二战时期，主要在军事领域使用。随着时代的日新月异，新时代的科学技术发展、智能AI普及以及经济水平的跃升。无人机的运用普及也迎来新时代、新创造及新运用领域。无人机从一开始仅在军事领域中作为军事武器演变到民用领域，并在民用领域中发展迅速，扩展的应用范围广，如：森林防火无人机、警用无人机以及植保无人机等。在这些领域中无人机的引进，给工作任务带来高效率、减少财务损失以及高智能化运作，，咩咩咩咩吗。。由于，我国森林覆盖率达到22.96%，占地面积大，导致对日常森林巡视，火情侦察及森林灭火等工作极具挑战。若在森林火灾发生时，引进森林防火无人机协助灭火工作开展，能够实现勘测火点的地形和环境，做到灵活侦察。通过无人机有效的侦察，及时反映现场状况。有利于指挥部门，及时下达最准确有效的命令。同时，有效规避救援人员及时避开有毒易爆等区域，最大程度上保证了救援人员的性命安全。

市场上现有的消防类防火无人机主要以多轴无人机为主，虽然有起降距离短、对起降场要求小的优势，但也有诸多不足，例如起飞重量小、续航距离短、制空时间短、飞行速度慢等，限制了防火侦察工作，也造成了诸多的防火工作的不便。解决多轴无人机的缺陷研制专业森林防火侦察无人机的形势是未来无人机的发展方向之一。

同时，存在侦察打击一体化多功能的无人机少之又少，研发森林防火无人机主要应用于火灾路线的勘察、监测以及对火灾现场各种动态信息准确把握等高危任务，已经成为消防急不可待的需求，为能够达到最大程度减少人力以及物力的损失。因此，为帮助改善此现象，本文针对市场上无人机存在的不足，进行设计并研发制造了侦察与灭火一体化无人机应用于森林防火现场。

二、飞机平台的总体设计

1. 飞机机翼设计及参数

常规布局无人机是目前最为成熟的固定翼飞行器气动布局，该布局被广泛应用于低速飞行器。该飞机采用4°上反角设计使其稳定性得到提升、使固定翼无人机的在执行侦察任务时实现低空低速滑翔飞行。

在翼型设计上，用3D-Panel对飞行器在流场中的气动特性进行计算，并以XLFR-5软件进行辅助。其中3D-Panel是对涡格法（VLM）与升力线法（LLT）的结果进行细化。再利用_①对飞行所需雷诺数进行初步计算。

由数据得出，团队参赛的飞机主机翼翼型为平凸翼型c72可以提高飞机升阻比，增大临界迎角。通过 软件计算出：当Re=10000，飞机的受力情况（图4-1）以及使用XFLR5分析飞机执行任务中各个参数性能指标（图4-2）。在此常规气动布局下，可以使飞机达到最大升阻比。

图2-1 翼肋受力情况

2. 机身的设计及参数

机身主要是为锂电池、飞控、任务载荷等提供安装空间，同时对飞机的总装起到连接作用。机身采用了船型设计，长度尺寸以合理的尾容量联合尾翼面积设计确定机身长为1090mm，高117.56mm、截面面积以机载设备尺寸确定43200mm²。其结构设计上，以最小化，强度最高化为设计目标、以保证对地侦察与打击任务飞行器的机身结构可靠且重量占比小。为满足飞机折叠后可放置在面积为1600mm²的矩形箱子的任务需求，在机身550mm分段处采用卡扣折叠设计。同时其采用了椭圆形镂空和斜撑设计，使其降低前端重量和加强结构强度。

图2-3 飞机侧视图

图2-4 飞机展开俯视图

3. 尾翼的设计及参数

针对该机尾翼采用常规尾翼设计，存在气体流动过机翼后会在机身后段产生紊流，使垂直尾翼和水平尾翼的舵面效应性能降低的问题，对其进行叠代优化改进。在常规尾翼的基础上选择对称双垂尾设计方法，可提高其舵面效应性能、减少飞机偏航的影响。平尾尺寸需以尾容量、机身，以及结构强度为原则设计，确定其长为450mm，宽为140mm。垂尾尺寸以平行尾翼容量的设计确定长为155mm，宽为145mm。在水平尾翼翼型选择上，采用了NACA0012翼型，经过XLFR5对尾翼翼型压力分布、不同雷诺数下升阻比等数据进行分析。根据受力分析总结，对尾翼翼弦长1/3处采用工字型翼梁进行优化改进，以提高水平尾翼承受扭矩载荷的能力。

图2-7 不同雷诺数的升阻比

4. 灭火仓的设计及参数

为了实现实时定点投放灭火设备，利用自动控制系统对灭火系统进行自动控制。当在飞行巡查的过程中，若遇到突发火情，通过地面站改变飞行航线并在起火点设置定点投放，从而达到实时灭火的目标。

在结构上，灭火仓位于无人机机身腹部，是长为210mm、宽为70mm的矩形开口。为了加强开口处的结构强度，采用了环氧树脂胶作为粘合剂对连接处进行加强，以及利用玻璃纤维复合材料技术对机身与尾端连接处进行加工。

三、动力方案的选择

本文设计的对地侦察与打击无人机重量达2Kg，根据需要推重比需达到1以上，由公式：

②

可得飞机至少需要2.4Kg推力才可使飞机达到设计需求，产生足够升力达到满载起飞。逆推螺旋桨产生拉力计算公式：

③

可得飞机需使用8x6螺旋桨方达到所需拉力。电机采用X2216，kv1400最大推力可以达到1380G，电机在10V的电压下，可以实现14000rad,对应的电调为40A，适用于3Kg以上的固定翼无人机。为了避免单发所产生的扭矩使飞机发生偏航，同时产生足够的拉力，我们采用了双发电机的动力装置，两个电机不同转向，抵消电机旋转时产生的反扭矩，增加飞行时飞机的稳定性。同时，飞机安全性能增加，当一个电机失效时，飞机任然可以安全着陆。

表3-2，动力方案的优点

参考文献

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