蔡亲玮 王潇宇 郭蕾磊

摘要：随着中国通用航空的蓬勃发展，通航飞行器日益受到行业的关注，包括载人航空、无人机等方面。针对以往的飞行器存在的续航性、安全性、经济性提出一些改进。本文构建出一种采用双轴旋翼控制，搭载动力单元冗余系统，同时具有机臂自动折叠功能的多用途飞行平台。双轴系统相比传统的四、六轴飞行器续航时间更长，同时具有六轴的安全性能。此外，本飞行器具备机臂自动折叠系统，在不工作时可自动折叠，节约收纳空间。以上优势可应用于众多领域例如：未来的飞行汽车、军用航空器、商用无人机等方面。为未来的航空器设计提出了一种新的方案，独特的创新性在未来具有较大的开发价值。

一、未来双旋翼的一些设计思路

（一）减少多余轴数以延长续航时间

以四旋翼为例，目前纯电四旋翼的续航时间一般不过30分钟，其主要原因是受到动力布局的限制，为提升续航。我们采用双轴矢量控制原理，双轴控制需要使用矢量电机座，通过矢量电机座倾转控制来达到飞行器的运动控制。在相同载重情况下，双轴设计由于机械重量的减少和动力系统的优化，提升了飞行器的滞空时长。

（二）设计动力补偿机制

在机械方面，根据双轴的控制原理，将两侧的动力输出定义为一个动力单元，一个动力单元串联安装到一个矢量电机座上。在控制方面，飞控需要单独控制四套电动机。我们通过创新的飞控算法，结合优化的PID控制，实现了通过电机故障动力补偿以达到平稳飞行的目的，即可解决过去电机失控导致坠毁的安全问题。

（三）多功能兼容性平台

给飞行器的飞行模块以下，设置可拆卸结构，用以方便得安装特定功能模块。多功能模块可以另行设计，比如航拍设备，农业喷洒设备，环境监测传感器等等以此增强飞行器的多功能性。

二、双旋翼提出的一些创新设计

本文是研究的是一种采用双轴设计的多用途飞行平台。此飞行平台主要具有以下三点优势：滞空时间长、具备动力单元冗余系统、机臂可自动折叠。

以四旋翼为例，目前纯电四旋翼的续航时间一般不过40分钟，其主要原因是受到动力布局的限制，为提升续航。我们采用双轴矢量控制原理，双轴控制需要使用矢量电机座，通过矢量电机座倾转控制来达到飞行器的运动控制。在相同载重情况下，双轴设计由于机械重量的减少和动力系统的优化，提升了飞行器的滞空时长。

相比于现有的双轴飞行器，如V-22鱼鹰等。其最大的问题是当单边动力出现故障时，飞行器无法稳定姿态，将会出现机毁人亡的事故。本飞行平台的单轴动力单元串列安装了两台电动机，通过飞控硬件检测，辅以算法的计算，在一侧动力单元的某一台电动机因意外发生停机的情况下可自动补偿单轴侧动力单元的动力输入，从而稳定飞行器的姿态，给飞行器的降落留足了充分的时间，保障了人员的生命财产安全。

（一）双轴设计

航空器对重量特别敏感，重量的提升将会对飞行器的经济性造成不利的影响。 如果一款航空器是四轴或者六轴甚至是八轴，总有一部分重量无法有效利用，就变成“死重”。这些死重会造成续航里程短，还会造成其飞行性能变差。相比于传统垂直起降平台的多轴设计，双轴设计能有效减少动力系统与机臂机械结构的重量。避免带来更多的空中的“死重”，同时能够更加合理的利用动力。从多方面提高了飞行汽车的续航。

（二）多冗余设计

在机械方面，根据双轴的控制原理，将两侧的动力输出定义为一个动力单元，一个动力单元串联安装到一个矢量电机座上。在控制方面，飞控需要单独控制四套电动机。可通过创新的飞控算法，结合优化的PID控制，实现了控制多冗余飞行平台平稳飞行的目的，解决了过去可能机臂末端出现震荡等问题。

（三）机臂自动折叠设计

通过伺服机带动连杆机构使机臂向后折叠，减少了50%的收纳空间，机臂能够依靠折叠机构一键进行收放。同时本装置包括机臂的锁定机构，采用电磁控制插销，在机臂完全展开时自动锁定。由于需要对精准机臂角度进行控制，可采用了串行数字总线伺服，使机臂在任何工作位置时可监测机臂角度，机臂自动折叠系统还具有安全保护，在非飞行状态下禁止解锁电动机。

三、此飞行的一些应用价值

本飞行平台同时具备多种新特性，可应用于众多领域例如：未来的飞行汽车、军用侦查运输机、商用无人机等方面。为未来的航空器设计提出了一种新的方案，独特的创新性在未来具有较大的开发价值。

以飞行汽车的应用说明，我们认为安全特性是任何载人交通工具的首要指标。次要的指标有：实用性、便捷性、安全性。為此，我们对飞行汽车提出了以下几点设计理念。

①动力冗余，与传统商用客机相似，飞行汽车在飞行中因意外失去部分动力时，仍能保持一定的动力冗余使飞行汽车安全降落，保障人员的生命财产安全。

②易用性，传统的载人飞行器需要操作者具有较高的驾驶能力，而飞行汽车的研发目的是为了惠及大众。在飞行器的前期准备和使用过程中，要具有易用性的特征。

③实用性，目前续航能力作为电动汽车的重要指标之一。续航能力也将成为一款飞行汽车优劣的重要指标。

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