多旋翼无人机及无人机传动系统的研究发展综述

王文聪 1

（沈阳工业大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110000)

摘要：本文从无人机的旋翼分类出发详细介绍了国内外关于各种旋翼无人机的发展历程、发展现状，无人机按照旋翼类型分类可分为旋翼无人机以及固定翼无人机。本文着重介绍多旋翼无人机的多个动力系统，无人机传动的动力系统通常分为油驱动、电驱动及油电混合驱动，分析了不同传动动力系统的特点以及适应的工作环境。

关键词：无人机；多旋翼；动力传动系统

1引言

无人机是一种可远程控制、有动力、能够携带多种设备、有效执行不同任务，并且可以多次反复利用的无人驾驶航空器。鉴于其自身的诸多优势，在侦察、监视、通信中继、电子对抗等诸多军事领域取得了成功的运用。当前，无人机技术除了在军事领域的广泛应用以外，在民用领域也取得了很大的进步，比如在民用领域中的植保无人机、物流无人机、航拍无人机、救灾无人机等都是对无人机的多元化利用，利用无人机可以执行高危任务或对人体伤害较大的任务，减少人员伤亡，提升效率。它还有着操作简便、起降灵活、环境影响等优点，受到多种行业领域的青睐，成为他们重点研发的对象。

2无人机分类

根据无人机的飞行方式，现有的无人机普遍可分为两类，分别为固定翼无人机旋翼无人机。固定翼无人机的历史由来已久，在过去的战争中占有重要的地位。其特点是续航时间长、飞行效率高、飞行速度快、载荷大，但起飞需要助跑，降落需要滑行，对起降场地的需求限制了其全面的推广。

多旋翼飞机的历史最早是在 1907 年，当时Breguet 兄弟，设计制造了世界上第一架有人驾驶的多旋翼飞机—“旋翼机一号”。其小巧轻便﹐相较于其它飞行器具有得天独厚的优势，与固定翼飞行器相比,它具有可以垂直起降,可以定点盘旋的优点;与单旋翼飞行器相比,它采用无刷电机作为动力,并且没有尾桨装置,因此具有机械结构简单、安全性高、使用成本低等优点.多旋翼无人机的诸多优点使其在军事、娱乐、探测、治安等多方面有所应用。由于旋翼无人机的控制原理较固定翼复杂，难以实现旋翼无人机飞行姿态的自主控制，使得旋翼无人机的发展较为迟缓。近十几年来随着先进材料技术、无线通讯技术、控制科学、数字信号处理技术等的不断发展，使得旋翼无人机的开发和研制有了重大突破，其应用前景及使用价值受到全世界研究人员的广泛关注^[1]。

3 无人机动力系统

3.1无人机动力系统分类

无人机根据其动力传动系统可分为以下三类：

电动多旋翼。电驱动是多旋翼无人机的主流，早期的多旋翼无人机大多为消费级，动力传动系统多为电机直驱。电动无人机不需要复杂的变距机构，而是通过快速调节电机转速的方式来增大或者减小升力，从而实现不同的飞行姿态。电机一般采用直驱，不需要复杂的传动，因此其结构简单高效，自重也较轻，使用和维护都很方便，但是由于旋翼直径一般都比较小，载重也都不大，且电池容量有限，续航时间也较短。

图1 电动多旋翼无人机

Figure 1 electric multi rotor UAV

油动多旋翼。随着多旋翼无人机技术的不断发展和市场需求的不断增长，出现了大中型的工业级多旋翼，为了提升载重能力，动力方式采用油动，油动多旋翼飞行器大多采用航空活塞发动机，少量采用涡轴发动机。传动系统则采用皮带、齿轮以单一或混合的方式传递动力，对于载荷较小的油动多旋翼，传动方式也有采用直驱的。在飞行过程中，一般采用固定发动机转速，通过调节旋翼总距的方式来改变升力，实现不同的姿态控制，因此其操纵机构变得更加简洁，飞行的稳定性和可靠性也得到了较大的提升，但是变总矩的时候会引起发动机负载的变化，从而引发发动机转速变化，使得操纵相比较于电驱动的方式困难了许多，这是油动多旋翼需要解决的的一个关键的问题

图二 油动多旋翼无人机

Figure 2 oil powered multi rotor UAV

油电混合多旋翼。油动多旋翼无人机虽然提高了载重，但无人机的操控性能不如电动多旋翼，因此油电混合也逐渐发展成为一种趋势。这种方案用发动机作给电池充电，然后用电机驱动旋翼，可以有效提高无人机的载荷和续航时间，操控性也较油动多旋翼得到改善，降低了操控机构的复杂性，但这种方案还不太成熟。

图3 油电混合多旋翼无人机

Figure 3 oil electric hybrid multi rotor UAV

3.2国内外动力系统发展

国外多旋翼飞行器传动系统的研究始于世纪 70 年代，美国航空航天局与陆军联合开展的直升机传动系统研究计划，进行了新概念传动结构、部件的研究，同时进行对部件材料的探究、对新型轴承研发等一系列传动系统新技术。2007 年美国莱斯特大学的 Li，Postlethwaite 等人提出了粒子滤波法和误差预测法。将两种方法同时应用到飞机的传动系统中，提出了一种新型评价方法并应用到直升机的飞行试验当中

^[2]。

我国多旋翼飞行器起步于 1956 年，从国外引进旋翼飞行器，通过对国外的飞行器进行拆分解读，在吸收其中设计方法进行创新研发，开始了我国航空悬疑飞行器的发展。2004 年北京航空航天大学徐敏提出将某种旋翼飞行器的传动系统结构分成三个部分，这三个分支系统相互关联，然后对每个分支进行扭转振动模态分析。试验结果表明，这种建模方法不但分析结果精确可靠，而且不会遗漏主要的频率^[3]。2009 年南京航空航天大学朱自冰等人将直升机尾翼传动系统进行简化成由轴段和圆盘构成的分支，将圆盘和轴段组合在一起，简化了其传动系统结构。分析了联轴器角向和径向刚度、轴承支撑刚度、轴段数等因素对传动系统弯曲振动模态影响^[4]。

参考文献

1[] 何漠．小型旋翼类无人机飞行控制系统设计[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2013.

2[] Li P, Postlethwaite I, Turner M. Parameter estimation techniques for helicopter dynamic modelling[C]//American Control Conference, 2007. ACC’07. IEEE, 2007:2938-2943.

3[] 徐敏．直升机传动系统机械扭振计算域试验联合建模[J]．振动测试与诊断，2004，24(1)：41-45．

4[] 朱自冰，朱如鹏，鲍和云，靳广虎.刚度对直升机尾传动系统弯曲振动固有频率影响的分析[J].航空动力学报，2009，24：176-180.