一种基于新构型的高速高效无人机的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于新构型的高速高效无人机的设计方法，该方法中，首先基于最佳效率的要求设计出提供升力的主螺旋桨及其电机，再基于最佳效率的要求设计出提供前飞动力的尾推螺旋桨及电机，获得主螺旋桨的尾流情况，综合考虑尾流情况与尾推螺旋桨之间的重叠干扰区域，降低彼此干扰，同时满足其他的尾推螺旋桨设置位置要求，进而获得效率最佳的尾推螺旋桨安装位置，从而完成尾推螺旋桨无人的设计过程，获得效率更优的尾推无人机。获得效率更优的尾推无人机。

【技术实现步骤摘要】
一种基于新构型的高速高效无人机的设计方法


[0001]本专利技术涉及无人机的设计方法，具体来说涉及一种基于新构型的高速高效无人机的设计方法。

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及功率成为制约其应用的主要不足。
[0003]针对上述问题，有人提出了尾推螺旋桨结构，即主螺旋桨只用于提供升力，在无人机飞行过程中，不再前倾，通过尾推螺旋桨提供前行动力，但仅仅提出了一个概念，如何设置具体的尾推无人机结构能够最大程度地获得性能优良的无人机，具备最佳的效率成为尾推无人机发展的制约因素。
[0004]本专利技术在充分研究尾推无人机工作机理的情况下，为了获得最优效率的尾推无人机，提出一种能够获得最优效率的基于新构型的高速高效无人机的设计方法。

技术实现思路

[0005]为了克服上述问题，本专利技术人进行了锐意研究，设计出一种基于新构型的高速高效无人机的设计方法，该方法中，首先基于最佳效率的要求设计出提供升力的主螺旋桨及其电机，再基于最佳效率的要求设计出提供前飞动力的尾推螺旋桨及电机，获得主螺旋桨的尾流情况，综合考虑尾流情况与尾推螺旋桨之间的重叠干扰区域，降低彼此干扰，同时满足其他的尾推螺旋桨设置位置要求，进而获得效率最佳的尾推螺旋桨安装位置，从而完成尾推螺旋桨无人的设计过程，获得效率更优的尾推无人机，从而完成本专利技术。
[0006]具体来说，本专利技术的目的在于提供一种基于新构型的高速高效无人机的设计方法，该方法包括：
[0007]S1：设计获得主螺旋桨的型号和主螺旋桨电机；
[0008]S2：设计获得尾推螺旋桨的型号和尾推螺旋桨电机；
[0009]S3：确定尾推螺旋桨位置。
[0010]其中，所述S1具体包括如下步骤：
[0011]步骤1，基于设计条件，选择多种能够满足起飞质量要求的主螺旋桨型号，且每种主螺旋桨型号都各自对应于不同的半径长度；
[0012]步骤2，依次对选择的多种主螺旋桨做风洞试验，测量每种主螺旋桨在不同来流速度、转速下的气动力和输入电压电流，进而获得每种主螺旋桨在起飞质量下的气动效率，并按照大小排序，挑选出气动效率最大的主螺旋桨型号；
[0013]步骤3，调取步骤2中挑选出的主螺旋桨信息，基于其在起飞质量下的转速，初步获得该主螺旋桨所需电机的KV值，
[0014]根据该主螺旋桨所需的最大功率，初步获得所需电机的最大功率；
[0015]步骤4，选取若干符合KV值和最大功率需求的电机，并根据电机特性曲线获得主螺旋桨和电机的匹配度；
[0016]步骤5，对所选电机按转化效率高低进行排序，选取转化效率最高的电机为主螺旋桨电机；
[0017]其中，所述S2具体包括如下步骤：步骤6，基于设计条件，选择多种能够满足无人机阻力要求的尾推螺旋桨型号，且每种尾推螺旋桨型号都各自对应于不同的半径长度；
[0018]步骤7，依次对选择的多种尾推螺旋桨做风洞试验，测量每种尾推螺旋桨在不同来流速度、转速下的气动力和输入电压电流，进而获得每种尾推螺旋桨在起飞质量下的气动效率，并按照大小排序，挑选出气动效率最大的尾推螺旋桨型号；
[0019]步骤8，根据步骤7中挑选出的尾推螺旋桨在典型工况下的转速，初步获得其所需电机的KV值，根据该尾推螺旋桨所需的最大功率，初步获得所需电机的最大功率；
[0020]步骤9，选取若干符合KV值和最大功率需求的电机，并根据电机特性曲线获得尾推螺旋桨和电机的匹配度；
[0021]步骤10，对所选电机按转化效率高低进行排序，选取转化效率最高的电机为尾推螺旋桨电机；
[0022]其中，所述S3具体包括如下步骤：步骤11，对主螺旋桨和机身气动布局进行CFD数值仿真试验，分析获得主螺旋桨尾流情况，根据主螺旋桨尾流情况确定尾推螺旋桨位置。
[0023]其中，在步骤1中，通过下式(一)获得主螺旋桨半径长度与设计条件之间的关系：
[0024][0025]其中，所述GTOW表示无人机的起飞质量，n表示无人机上主螺旋桨的个数，T
p
表示单个主螺旋桨的拉力，R
p
表示主螺旋桨半径，ξ1表示主螺旋桨桨盘载荷系数。
[0026]其中，在步骤3中，所述KV值通过下式(二)获得；
[0027][0028]其中，ω
w
表示主螺旋桨在起飞质量下的转速；U
w
表示电机工作电压；
[0029]在步骤3中，所述电机的最大功率P
max
通过下式(三)获得；
[0030]P
max
＝δP
w
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(三)
[0031]其中，δ表示控制余量；P
w
表示主螺旋桨在起飞质量下所需的功率。
[0032]其中，在步骤4中，所述电机特性曲线通过下式(四)获得；
[0033][0034]其中，U
d
表示电机输入电压，r
a
表示电机电阻，I表示电机输入电流，k
e
表示线反电势系数，ω表示电机转子转速，K
T
表示电机转矩系数，T
L
表示负载转矩，B
V
表示粘滞摩擦系数；
[0035]优选地，所述主螺旋桨和电机的匹配度通过下式(五)获得：
[0036][0037]其中，T
L
的取值等于主螺旋桨的扭矩，ω的取值等于主螺旋桨的转速。
[0038]其中，在步骤6中，通过下式(六)获得尾推螺旋桨半径长度与设计条件之间的关系：
[0039][0040]其中，所述D
p
表示一个主螺旋桨产生的气动阻力，n表示无人机上主螺旋桨的个数，D
f
表示机身产生的阻力，T
t
表示单个尾推螺旋桨的推力，R
t
表示尾推螺旋桨半径，ξ2表示尾推螺旋桨桨盘载荷系数。
[0041]其中，在步骤11中，所述主螺旋桨尾流情况的获得过程包括如下子步骤：
[0042]子步骤1，构建主螺旋桨和机身的三维模型并导入Ansys商业软件中；
[0043]子步骤2，利用Ansys商业软件中的mesh子软件对三维模型进行网格划分；
[0044]步骤三：将划分好网格的三维模型导入Ansys商业软件的fluent子软件对三维模型进行时变的CFD数值仿真，获得尾流位置和大小。
[0045]其中，在步骤11中，所述尾推螺旋桨位置的设置满足如下条件：
[0046]条件1，尾推螺旋桨扫过区域不与地面和无人机其他结构件干涉；
[0047]条件2，尾推螺旋桨拉力损失η＜5％；
[0048]条件3，无人机整体最大外包络尽量小；
[0049]条件4，尾推螺旋桨中心位于主螺旋桨中心的上方。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于新构型的高速高效无人机的设计方法，其特征在于，该方法包括：S1：设计获得主螺旋桨的型号和主螺旋桨电机；S2：设计获得尾推螺旋桨的型号和尾推螺旋桨电机；S3：确定尾推螺旋桨位置。2.根据权利要求1所述的基于新构型的高速高效无人机的设计方法，其特征在于，所述S1具体包括如下步骤：步骤1，基于设计条件，选择多种能够满足起飞质量要求的主螺旋桨型号，且每种主螺旋桨型号都各自对应于不同的半径长度；步骤2，依次对选择的多种主螺旋桨做风洞试验，测量每种主螺旋桨在不同来流速度、转速下的气动力和输入电压电流，进而获得每种主螺旋桨在起飞质量下的气动效率，并按照大小排序，挑选出气动效率最大的主螺旋桨型号；步骤3，调取步骤2中挑选出的主螺旋桨信息，基于其在起飞质量下的转速，初步获得该主螺旋桨所需电机的KV值，根据该主螺旋桨所需的最大功率，初步获得所需电机的最大功率；步骤4，选取若干符合KV值和最大功率需求的电机，并根据电机特性曲线获得主螺旋桨和电机的匹配度；步骤5，对所选电机按转化效率高低进行排序，选取转化效率最高的电机为主螺旋桨电机。3.根据权利要求1所述的基于新构型的高速高效无人机的设计方法，其特征在于，所述S2具体包括如下步骤：步骤6，基于设计条件，选择多种能够满足无人机阻力要求的尾推螺旋桨型号，且每种尾推螺旋桨型号都各自对应于不同的半径长度；步骤7，依次对选择的多种尾推螺旋桨做风洞试验，测量每种尾推螺旋桨在不同来流速度、转速下的气动力和输入电压电流，进而获得每种尾推螺旋桨在起飞质量下的气动效率，并按照大小排序，挑选出气动效率最大的尾推螺旋桨型号；步骤8，根据步骤7中挑选出的尾推螺旋桨在典型工况下的转速，初步获得其所需电机的KV值，根据该尾推螺旋桨所需的最大功率，初步获得所需电机的最大功率；步骤9，选取若干符合KV值和最大功率需求的电机，并根据电机特性曲线获得尾推螺旋桨和电机的匹配度；步骤10，对所选电机按转化效率高低进行排序，选取转化效率最高的电机为尾推螺旋桨电机。4.根据权利要求1所述的基于新构型的高速高效无人机的设计方法，其特征在于，所述S3具体包括如下步骤：步骤11，对主螺旋桨和机身气动布局进行CFD数值仿真试验，分析获得主螺旋桨尾流情况，根据主螺旋桨尾流情况确定尾推螺旋桨位置。5.根据权利要求2所述的基于新构型的高速高效无人机的设计方法，其特征在于，在步骤1中，通过下式(一)获得主螺旋桨半径长度与设计条件之间的关系：
其中，所述GTOW表示无人机的起飞质量，n表示无人机上主螺旋桨的个数，T
p
表示单个主螺旋桨的拉力，R
p
表示主螺旋桨半径，ξ1表示主螺旋桨桨盘载荷系数。6.根据权利要求2所述的基于新构型的高速高效无人机的设计方法，其特征在于，在步...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋韬，邓怡星，陈柏健，叶建川，刘浩，叶思宏，吴则良，郭涵宇，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：