高速多旋翼桨叶的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种高速多旋翼桨叶的设计方法，该方法中，首先通过已知的基础数据和期望数据限定桨叶尺寸的大致范围，获得无人机的受力平衡方程，再给出足够数量的符合限定范围的具体桨叶尺寸，通过比较期望的性能指标，从给出的桨叶尺寸中筛选数据，经过随机交叉的方式进行调整，再次进行筛选，如此持续多次，直至能够得到期望的性能指标，若不能获得期望的性能指标，则增大初始的具体桨叶尺寸数据量，降低每次筛选的排出量，再次执行筛选过程。再次执行筛选过程。再次执行筛选过程。

【技术实现步骤摘要】
高速多旋翼桨叶的设计方法


[0001]本专利技术涉及无人机桨叶的设计方法，具体来说涉及一种高速多旋翼桨叶的设计方法。

技术介绍

[0002]多旋翼无人机由于具有机动性、灵活性好的特点，现已被广泛应用于军事和民用领域。随着多旋翼无人机在越来越多场景下应用，多旋翼无人机的飞行速度成为制约其应用的主要不足。目前市面上大多数多旋翼桨叶的设计均在在悬停状态下进行的设计，并未考虑整体的气动特性，因此目前多旋翼无人机在前飞时效率低；
[0003]针对上述问题，本专利技术在高速前飞的工况下，针对无人机高速多旋翼桨叶的设计方法做了深入研究，以期待提出一种能够解决上述问题的新的高速多旋翼桨叶的设计方法。

技术实现思路

[0004]为了克服上述问题，本专利技术人进行了锐意研究，设计出一种高速多旋翼桨叶的设计方法，该方法中，首先通过已知的基础数据和期望数据限定桨叶尺寸的大致范围，获得无人机的受力平衡方程，再给出足够数量的符合限定范围的具体桨叶尺寸，通过比较期望的性能指标，从给出的桨叶尺寸中筛选数据，经过随机交叉的方式进行调整，再次进行筛选，如此持续多次，直至能够得到期望的性能指标，若不能获得期望的性能指标，则增大初始的具体桨叶尺寸数据量，降低每次筛选的排出量，再次执行筛选过程，从而完成本专利技术。
[0005]具体来说，本专利技术的目的在于提供高速多旋翼桨叶的设计方法，该方法包括如下步骤：
[0006]步骤1，根据预期参数确定初步的桨叶尺寸范围；所述预期参数包括起飞重量、机身尺寸、飞行半径、飞行时间和最大输出功率，所述桨叶尺寸包括桨叶的直径、弦长和扭转角；
[0007]步骤2，根据所述初步的桨叶尺寸范围建立桨叶的气动模型；
[0008]步骤3，基于桨叶的气动模型建立无人机的受力平衡方程，获得桨叶尺寸与无人机的性能指标之间的作用关系，所述性能指标包括飞行时间、最大输出功率、最大飞行速度、过载和起飞重量；
[0009]步骤4，通过优化迭代逐步调整所述桨叶尺寸的取值，直至所述桨叶尺寸的取值能够得到期望的性能指标。
[0010]其中，在步骤1中，通过下式(一)获得所述初步的桨叶尺寸范围：
[0011]R＝(1.04r
p
～1.21r
p
)/sin(180
°
/n)
ꢀꢀ
(一)
[0012]其中R为无人机的机身半径，r
p
为螺旋桨半径，n为螺旋桨数量。
[0013]其中，在步骤2中，所述桨叶的气动模型包括下式(四)；
[0014][0015]其中，T
p
表示桨叶上受到的拉力；H
p
表示桨叶上受到的阻力；Q
P
表示桨叶上受到的扭矩；表示桨叶上受到的俯仰力矩；
[0016]t1、t2、t3、t4都表示拉力模型参数，
[0017]Ω表示转速；V表示飞行速度转速和飞行速度；
[0018]α
p
表示来流与桨叶面的夹角；
[0019]h1、h2都表示阻力模型参数；
[0020]q1、q2、q3、q4都表示扭矩模型参数；
[0021]m1、m2、m3都表示俯仰力矩模型参数。
[0022]其中，在步骤3中，所述无人机的受力平衡方程包括下式(五)
[0023][0024]其中，m表示无人机质量；
[0025]α表示攻角，θ表示俯仰角；
[0026]D
F
表示机身阻力，L
F
表示机身升力；
[0027]J表示转动惯量；
[0028]表示机身受到的俯仰力矩，T1表示机身受到的前桨的拉力，T2表示机身受到的后桨的拉力，l表示桨叶质心到无人机质心的距离，H1表示前桨产生的平行于桨叶的力，H2表示后桨产生的平行于桨叶的力，d1表示前桨叶直径，d2表示后桨叶直径
[0029]Ω1、Ω2分别表示前桨和后桨的转速，其取值为4500rpm；
[0030]η
m
(I)表示电机转换效率，其取值为80；
[0031]Q
p
(α,V,Ω1)表示前桨的扭矩，Q
p
(α,V,Ω2)表示后桨的扭矩；
[0032]η
m
(I)表示电机转换效率；
[0033]V表示在x轴方向的速度，U表示y轴方向的速度，表示叶片方位角，P分别功率；
[0034]当所述无人机处于平衡状态时，
[0035]其中，所述步骤4包括如下子步骤：
[0036]子步骤1，随机给出预定数量的具体桨叶尺寸；每个所述具体桨叶尺寸包括桨叶直径的具体尺寸、桨叶弦长的具体尺寸和桨叶扭转角的具体尺寸；每个所述具体桨叶尺寸都落在所述初步的桨叶尺寸范围内；
[0037]子步骤2，每一组具体桨叶尺寸，都通过受力平衡方程得到对应的一组性能指标值，从而得到预定数量的性能指标数据；
[0038]子步骤3，从预定数量的性能指标数据中挑选出性能较好的部分数据，找到其中每组性能指标值对应的具体桨叶尺寸，记为一级筛选尺寸数据；
[0039]子步骤4，在一级筛选尺寸数据中，随机交叉其中各个子项的对应关系，得到一级交叉尺寸数据；
[0040]子步骤5，用所述一级交叉尺寸数据替换子步骤1中随机给出的具体桨叶尺寸，重复子步骤1、子步骤2、子步骤3，得到二级筛选尺寸数据，再重复子步骤4，得到二级交叉尺寸数据；
[0041]子步骤6，多次重复子步骤5，直至子步骤2中获得的性能指标符合期望的性能指标，记录该期望的性能指标对应的桨叶尺寸值。
[0042]其中，在子步骤3中，逐一分析子步骤2中得到的预定数量的性能指标数据，分析每一组性能指标数据中包含的具体项目，即飞行时间值、最大输出功率值、最大飞行速度值、过载值和起飞重量值，当项目中有一项数值大于期望的性能指标中的对应数值时，该数据是一级可选数据；当项目中有两项数值大于期望的性能指标中的对应数值时，该数据是二级可选数据；当项目中有三项数值大于期望的性能指标中的对应数值时，该数据是三级可选数据；当项目中有四项数值大于期望的性能指标中的对应数值时，该数据是四级可选数据；当项目中五项数值都大于期望的性能指标中的对应数值时，该数据是五级可选数据。
[0043]其中，所述性能较好数据的数量为所述筛选数量，所述筛选数量与子步骤2中的预定数量之间存在比例关系，优选地，所述筛选数量为预定数量的60～80％。
[0044]本专利技术所具有的有益效果包括：
[0045](1))根据本专利技术提供的高速多旋翼桨叶的设计方法，该方法能够针对具体应用场景下的具体的无人机性能需求，快速准确地设计出能够实现该需求的旋翼桨叶；
[0046](2))根据本专利技术提供的高速多旋翼桨叶的设计方法，该方法为通用性极高的方法，对于不同尺寸、不同起飞重量及不同工作目的的无人机，都能够快速准确地给出设计参数。
附图说明
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速多旋翼桨叶的设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1，根据预期参数确定初步的桨叶尺寸范围；所述预期参数包括起飞重量、机身尺寸、飞行半径、飞行时间和最大输出功率，所述桨叶尺寸包括桨叶的直径、弦长和扭转角；步骤2，根据所述初步的桨叶尺寸范围建立桨叶的气动模型；步骤3，基于桨叶的气动模型建立无人机的受力平衡方程，获得桨叶尺寸与无人机的性能指标之间的作用关系，所述性能指标包括飞行时间、最大输出功率、最大飞行速度、过载和起飞重量；步骤4，通过优化迭代逐步调整所述桨叶尺寸的取值，直至所述桨叶尺寸的取值能够得到期望的性能指标。2.根据权利要求1所述的高速多旋翼桨叶的设计方法，其特征在于，在步骤1中，通过下式(一)获得所述初步的桨叶尺寸范围：R＝(1.04r
p
～1.21r
p
)/sin(180
°
/n)
ꢀꢀꢀꢀ
(一)。其中R为无人机的机身半径，r
p
为螺旋桨半径，n为螺旋桨数量。3.根据权利要求1所述的高速多旋翼桨叶的设计方法，其特征在于，在步骤2中，所述桨叶的气动模型包括下式(四)；其中，T
p
表示桨叶上受到的拉力；H
p
表示桨叶上受到的阻力；Q
P
表示桨叶上受到的扭矩；表示桨叶上受到的俯仰力矩；t1、t2、t3、t4都表示拉力模型参数，Ω表示转速；V表示飞行速度转速和飞行速度；α
p
表示来流与桨叶面的夹角；h1、h2都表示阻力模型参数；q1、q2、q3、q4都表示扭矩模型参数；m1、m2、m3都表示俯仰力矩模型参数。4.根据权利要求1所述的高速多旋翼桨叶的设计方法，其特征在于，在步骤3中，所述无人机的受力平衡方程包括下式(五)
其中，m表示无人机质量；α表示攻角，θ表示俯仰角；D
F
表示机身阻力，L
F
表示机身升力；J表示转动惯量；表示机身受到的俯仰力矩，T1表示机身受到的前桨的拉力，T2表示机身受到的后桨的拉力，l表示桨叶质心到无人机质心的距离，H1表示前桨产生的平行于桨叶的力，H2表示后桨产生的平行于桨叶的力，d1表示前桨叶直径，d2表示后桨叶直径；Q
...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶建川，陈柏健，宋韬，吴则良，林德福，莫雳，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：