摘要：四旋翼无人机由于其机械结构简单，起飞降落便捷，维护使用方便，已被多个行业广泛使用。相比航拍、巡检等傳统行业的无人机，快递无人机结构包括：机身、控制器，燃料贮存罐，防水电机与旋翼，GPS系统模块，物品存放柜。快递用无人机需满足抗恶劣天气能力强，具有避障性，续航时间长，悬停稳定等特性，本文从以上几个特性出发，经过设计与仿真，提出的结构设计方案能基本满足快递用无人机的使用要求。

关键词：四旋翼；快递用无人机；续航；稳定

无人机是上个世纪80年代初期开始生产研发的一种微型飞行器，是结合电机驱动控制技术的一类产品，其按照机翼的结构可以分为三类：固定翼、扑翼和旋翼。旋翼无人机具有程序控制的自动飞行或遥控半自动飞行功能，垂直起飞，长时间稳定悬停，结构简单，方便携带等特征，在军用及民用等服务行业被大量使用。在90年代日本，美国等国家利用无人机进行军事航拍，测绘，农业播种，电力巡检等作业，当时无人机属于技术复杂，价格高昂的设备，随着我国无人机的快速发展，硬件与软件的开发和设计、电机和控制器技术的进步，欧美日等国家的垄断被打破，如今我国的民用无人机企业逐渐占据了世界前茅。

目前无人机产品应用较广的有植保无人机，安放无人机，消防无人机等，快递无人机的应用目前还没有普及。快递无人机是利用无线控制器编程操纵飞行器的飞行，将物品快速送达目的地，其有效的减少了快递行业的运输成品，提高了运输效率，在一些特殊地形地貌配送中起到了决定性的作用。目前的快递无人机多采用八旋翼结构，具有定位导航功能，装有高精度传感器具有避障功能和定高度悬浮性能，通过4G网络传输控制信号实现快递信息的送达，使得配送服务人员与快递收货人之间得以顺利沟通。

1 快递用无人机方案设计

1.1 飞行系统方案设计

固定翼与旋翼的选择：

1）固定翼无人机特点，起飞距离长，城市内难以找到合适的起飞、降落地点，飞行时有最低速度限制，不适合在复杂的城市建筑中飞行，运载空间狭小，不适合外卖的运输；

2）多旋翼无人机特点， 续航能力差，电池需要充电时间长，目前的无人机抗风雨能力差，不能在恶劣的风雨天气里派送，现有的无人机没有专门的放置快递的位置，运输物品时容易倾倒，在运输中易出现物品发热或过冷等现象。

无人机的结构基本组成为地面系统和空中系统，其中地面系统包括地面控制系统，充电电源，空中系统包括无人机本体，执行机构，传感器等，如图1所示。

电力驱动无人机和传统油动无人机相比振动小、同时污染较小，飞行过程比较稳定，适合多种飞行模式和各种飞行环境。电力和油动驱动无人机启动速度快，电机和发动机维修容易，电力驱动噪声小但是续航能力较油动弱，充电耗时较长，载重性较油动无人机差。军用和民用的航拍、监察、环境勘测等飞行任务对于无人机的使用已经常态化，目前对于无人机的动力源研究也是国内外科研机构的热点研究对象。

目前采用传统蓄电池的电动无人机与油动无人机共同的缺点就是续航时间有限、载荷量低，動力源更换和补充时间长，因而导致该类无人机的应用受到限制。随着新型能源如太阳能电池、燃料电池的发展，以及航空蓄电池能量密度的不断提高。快递无人机的载运重量设定为5kg，选用氢能作为动力燃料，避免锂电池作为动力的续航时间不足，氢能作为可以再生能源对环境无影响，低碳环保，而且氢能燃料的添加时间较快，比锂电池的充电效率高解决小型低空电动无人机长航时问题，考虑到快递无人机工作环境，在日照不足的条件下利用太阳能动力会导致飞机航程不稳定，因此快递无人机动力系统不考虑采用太阳能动力源。

1.2 功率匹配

根据推力、速度的计算关系，无人机保持匀速飞行状态下的功率为：

Plev为无人机匀速飞行的需用功率；F为牵引力；v为匀速飞行速度；m为额定重量；CD为空气阻力系数；CL为空气升力系数；g为重力加速度；ρ为空气密度；S为机翼参考面积。

其中旋翼产生的力矩被定子产生的扭矩抵消； 悬停状态下相对空速很低使得飞行器相对于空气的相对速度产生的气动力很小并可以被忽略，最终得到四旋翼无人机所受力与力矩的公式：

T（Ω）为向上的提升力，式中Ω为旋翼电机的转速； X、Y、Z 分别为纵向力、横向力、垂向力；θ无人机倾斜上升时的角度； Q、S、v、h 分别是旋翼滑流的动压、操纵舵的面积、操纵舵气动焦点到 xy 平面的垂直距离、操纵舵气动焦点到 z 轴的距离。CL 为操纵舵的升力系数，阻力系数因为相对很小被忽略。

2 快递用无人机结构设计

快递无人机需配置容纳氢气罐，根据四旋翼的结构，将燃料氢气罐布置在整个机身顶部，同事需要满足空气动力要求，设计燃料罐的大小和重量要考虑机翼的提升力额度，借鉴相关无人机从以下几个方案加以设计：

1）机翼采用四旋翼，用桁架结构与机身连接固定，保证机身空间位置充足，可以合理布置燃料电池；

2）电机采用防雨电机，电机下方布置排水孔，遇到雨雪天气，保证无人机正常飞行，不至于增加负重；

3）机身整体采用防辐射材料，和疏水涂层，防止高空中辐射高温，影响无人机飞行与控制系统正常工作，以及机身粘水增加负载。

快递无人机的三维模型方案如图 2 所示。

采用本文的结构设计，设计适合的翼展，对氢能能力进行计算，燃料加满体积为5L，可以满足载货量的要求，为保证强度。设计无人机臂展桁架的长度为800mm，储物箱大小为800×800mm，储物箱为三层设计，其具有固定和保温功能，同时适用于食品的运输，储物箱配有密码锁，可以通过发送短信验证给收货人的方式，对货物安全加以保证。

无人机旋翼采用防水电机，风扇和电枢中有两个防水轴承，避免大量的雨水进入；电枢使用较厚的漆包线，在一定进入少量的水时依然可以保持正常运转；电枢下有一个散热风扇，通过旋转产生风源，通过轴承托盘和电机外壳的通风口产生气体循环，借此带走多余的热量和进水的水气，达到散热和干燥的目的；电机外壳的通风口处采用屋檐形状的设计，保证无人机在飞行时雨水不会通过电机外壳的通风口进入电机内部。无人机机体和送餐柜表面涂有杜邦产的 Teflon AF疏水涂层，减小表面与雨水的粘性，保证飞行时雨水可以顺利地落入空中。

另外无人机装有导航装置和视频传输装置，方便控制者远程监督無人机的配送情况。如图3所示为轴承托盘的正视图，图中托盘上面打满排水孔，能够有效的排除下雨天雨水的沉积作用，为无人机运行减重。

虽然四旋翼无人机能够基本满足快递行业的使用要求，但是现有的设计方案仍然存在很多不足，在技术方案上面还是需要继续改进，主要可以从以下几个方面进行：

1）四旋翼无人机的飞行平稳性，无人机需要低空飞行，面多诸多障碍物或者临时突发情况，如何保证无人机通信不能干扰。

2）负载变化是随机的，当发生上货卸货时，无人机负载会频繁发生变化，在设计时还不能考虑到其他力产生的扰动。

3）研究人员未来可以通过改善四旋翼无人机的悬停和着陆技术，也可以加大无人机的飞行视野，对存储盒进行改进，减轻无人机的载重等。研究人员提出，增加一个运动捕捉系统能够让机器人追踪它的猎物，并且使用机载摄像机收集到数据在飞行中做出调整。相信新一代设计的无人机可以更准确和稳定的飞行，甚至在将来可以实现隐形等功能。

3 结语

本文在比对了各种动力源的基础上，比较了油动，电动，氢能动力系统，设计了一种四旋翼的快递无人机机型，利用三维建模给出了设计后的基本模型，提出了一种全新的设计方案。针对无人机在快递领域应用进行了初步的分析和机构设计。 采用无人机进行快递行业的配送能节约较大的人力成品，降低运营成本，提高配送效率。随着服务行业越来越多的技术更新，无人机等新兴高技术产品会在不久的将来充当各个行业的生力军，现对快递无人机的设计与研发，不断提升无人机的创新功能，必将促进社会的进步发展。

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作者简介：陈鑫（1988），男，湖北武汉人，硕士研究生，助理工程师，主要研究方向：机械设计，工业机器人。