旋翼無人機大氣探測設備布局仿真優化設計

沈 奧，周樹道，王 敏，彭舒齡，任尚書

(1.國防科技大學 氣象海洋學院，南京 211100； 2.南京信息工程大學 氣象災害預警與評估協同創新中心，南京 210000)

0 引言

利用多旋翼無人機進行氣象探測是在多旋翼無人機平臺的發展和大氣探測技術的基礎上發展起來的一種新型氣象探測方法[1]?？梢詫⑻綔y儀器直接加裝在多旋翼無人機上，對指定區域進行探測。具有人機分離、按指定航線探測、飛行高度高、可重復使用、機動性強、直接探測等優點，而多旋翼無人機操作控制簡單、起降方便、成本低，特別是可以實現懸停飛行和垂直起降，能夠對大氣垂直分布特征進行探測，使其在氣象探測中具有了獨特的作用和優勢，得到了廣泛的應用[2-3]。

如今對于無人機流場的分析多用于固定翼無人機，或者分析旋翼無人機的氣動外形，用以提升無人機的性能，降低功耗[4-6]。而對于旋翼無人機搭載傳感器進行探測，則需要對無人機產生擾流場進行分析，否則將會使探測產生較大誤差。所以，研究多旋翼無人機流場對提高多旋翼無人機氣象探測精度具有重要意義。

本文首先對常見氣動布局(四旋翼、六旋翼、八旋翼無人機不同翼間距的布局)的多旋翼無人機的流場進行仿真計算，分析總結出不同氣動布局多旋翼無人機的流場特點，進而結合大氣探測設備的類型和原理，對大氣探測設備的使用提出建議，最后針對多旋翼無人機流場的特點，對大氣探測設備提出改進方法，使其能在多旋翼無人機平臺上更精確地進行探測。

1 多旋翼無人機流場數值模擬

1.1 數值計算模擬方法

常用的CFD計算方法的思想是利用有限體積法，把連續的空氣介質離散化，對離散后的每一個單元進行數學描述，形成大型代數方程組，在計算機上進行求解。而對流場的分析，是基于N-S方程中的3個基本定律[7]：

質量守恒方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

式中，ρ為流體的密度，ui為流體速度沿i方向的分量，p是靜壓力，τij是應力矢量，ρgi是i方向的重力分量，Fi是由于阻力和能源而引起的其它能源項，h是熵，k是分子傳導率，kτ是由于湍流傳遞而引起的傳導率，Sh是定義的體積源。

由于需要計算的是旋翼在空氣中低雷諾數下的旋轉的問題，本文使用Spalart-Allmaras模型(簡稱S-A模型)來封閉方程組。S-A模型是專門為航空航天應用所設計的，對于網格不是非常密的模型有較高的精度，計算時間短，在中小型流場仿真，特別是葉輪機計算中得到了廣泛使用[8]。而S-A模型在N-S方程基礎上，建立了μτ與k的函數作為運輸方程，從而使方程封閉。運輸方程為：

(4)

式中，?k、CD、Cμ為經驗常數，l為模型中混合長度。

另外，湍流粘性系數為：

(5)

1.2 模型的建立

影響多旋翼無人機流場的因素有很多，如圖1所示，列舉了影響多旋翼無人機流場的部分因素。根據無人機的功能用途，設計了無人機不同的外形特征，其中旋翼數量、轉速和旋翼形狀共同決定了升力的大小，旋翼數和間距比則影響了無人機的穩定性[9-10]，而旋翼數、轉速、旋翼形狀和間距比都會對流場產生影響。在本研究中，以9047螺旋槳(直徑9英寸，螺距4.7英寸)為例，分別對四旋翼和六旋翼無人機在不同間距比(相鄰兩旋翼中心距離L與旋翼直徑D之比)的情況下的流場情況進行分析。為了排除其他因素的干擾，分析使用的無人機模型除旋翼數和間距比不同之外，機身、支架大小不做改變。在SolidWorks軟件編輯多旋翼無人機的機身、支架和旋翼部分，再根據分析模型的參數調整模型，在ICEM中進行網格劃分。

圖1 影響多旋翼無人機流場的主要因素

1.3 網格的劃分

由于每一個旋轉旋翼的流場是非定常狀態，針對這一問題，可以將流體計算域劃分為多個區域：每一個旋翼所在的旋轉域和其余部分的靜止域。采用非結構化網格，對旋翼旋轉部分網格進行加密，相對遠離旋翼的部分網格相對稀疏，兼顧計算精度和計算效率[11]。

1.4 邊界條件設定

將旋翼所在的旋轉區域設定為繞旋翼中心旋轉的滑移網格，由于要平衡旋翼旋轉產生的力矩，相鄰兩旋翼轉向相反，轉速設定為700 rad/s。旋翼邊界設定為與連接域同步轉動的moving wall。旋轉區域和靜止區域邊界設置為interior。

1.5 結果分析

1.5.1 四旋翼無人機

四旋翼無人機在間距比為1時，流場速度矢量圖如圖2、圖3所示。圖中箭頭表示速度的方向，箭頭顏色表示速度的大小。從圖中可以看出，氣體流動最快的區域是在旋翼尖旋轉的區域，瞬時速度最快達到了87.83 m/s，整個計算域內，氣體運動也比較劇烈，大多數區域風速在0～20 m/s之間；旋翼通過旋轉，將上方的氣體螺旋向下吸入旋轉，然后向下噴出，為了更加直觀地觀察分析，加入了過無人機中心軸的豎直平面以及機身所在的水平平面作為切片進行分析。

圖2 速度矢量圖斜上視圖(L/D=1)

圖3 速度矢量圖平視圖(L/D=1)

如圖4、圖5所示，圖中不同顏色區域代表此區域內氣體流動速度大小，區域邊界線即為速度大小的等值線。箭頭表示速度矢量，箭頭方向即為速度方向，箭頭的大小表示速度的大小。在豎直切片上(如圖4所示)，旋翼將無人機上方及外側氣體卷向無人機中心以及旋翼下方，流向無人機中心的氣流與機身和對流向碰撞，方向發生改變，分成了向上流動和向下流動的兩股，可以看出，向下的氣流強度較大。

而在水平切片上(如圖5所示)，在無人機機身的水平平面上，在與旋翼垂直對應的區域，氣流隨旋翼轉動，形成漩渦，流速相對較大，旋翼中心區域較??；在無人機機身正上方和正下方，存在一塊流速相對較小的區域。

由于在實際探測中，為了維持無人機的平衡，探測設備的重心要盡量靠近無人機重心(一般多位于無人機的中心位置)，因此，要著重分析無人機中心附近區域的流場特點。結合圖4、圖5可以發現，在機身上下存在一塊近似橢圓錐形的靜風區域。由于下洗氣流比較強并且方向更加集中，下方的區域跟上方相比較小，而橢圓錐底面橢圓長軸在z軸方向；在橢圓錐的底部，空氣入流由于對面入流以及兩側旋翼的作用，分成兩股，分別從兩側流出；在豎直方向上，機身上方從x軸方向匯入的氣流在機身中心附近改變方向，向上流動，在向上流動的過程中，受到旋翼向下漩渦的吸引，逐漸向兩側分流，在橢圓錐兩側改為向下流動，而在下方，由于距離旋翼較遠，下洗氣流強，z軸上向外的吸引對氣流影響減小，氣流方向主要由四周旋翼下洗氣流向中間擠壓，向中心流動，在錐體兩側，則有強烈的斜向下氣流。

圖4 豎直切面上速度云圖(L/D=1)

圖5 水平切片上速度云圖(L/D=1)

在實際運用中，同樣是四旋翼無人機，尺寸不同也會使流場不同，圖6、7和圖8、9就分別展示了當間距比分別為1.1和1.2時，四旋翼無人機周圍的流場特征。通過對比圖4～9，不難看出，相鄰旋翼之間距離的增大，橢圓錐型的相對靜風區總體形狀沒有改變，氣體流動方向變化也不大，但是距離的增大，靜風區域范圍明顯增大，內部氣流的相互干擾逐漸減輕，氣流流動方向和趨勢也更加清晰。

圖6 豎直切片上速度云圖(L/D=1.1)

圖7 水平切片上速度云圖(L/D=1.1)

圖8 豎直切片上速度云圖(L/D=1.2)

圖9 水平切片上速度云圖(L/D=1.2)

1.5.2 六旋翼無人機

由于多旋翼無人機飛行原理相似[12]，六旋翼無人機周圍的流場變化遵循的規律跟四旋翼無人機也十分相似，但為了保證相鄰旋翼不發生碰撞，分布在以無人機中心為圓心的圓上的旋翼數的增加，就要使無人機旋翼到無人機中心的距離增大，機身上下的相對靜風區的范圍也相應較大，如圖10、11所示。又由于相鄰旋翼旋轉方向相反，在過無人機中心點的3個水平軸方向，產生了運動方向一致的氣流，如圖10所示。此外，六旋翼無人機動力源多，分布更分散，控制量增多，使得無人機穩定性更好，無人機對于動力系統失效的容忍程度比四旋翼無人機要大，負載能力較強，同時，當整機重量相差不大時，六旋翼無人機每一個旋翼所需產生的推力變得更小，轉速會相對較低，也降低了每個旋翼對流場的影響。

而當六旋翼無人機間距比增大時，流場變化趨勢跟四旋翼無人機相似，靜風區區域不斷變大，空氣流速逐漸降低，氣流流動方向規律更加明顯。

圖10 豎直切片上速度云圖(L/D=1)

圖11 水平切片上速度云圖(L/D=1)

1.5.3 八旋翼無人機

通過上述分析，我們不難發現，隨著無人機旋翼數的增加，無人機流場變化存在著明顯的規律，相比較四旋翼和六旋翼無人機，八旋翼無人機機身中心距離旋翼更遠，中心部分受到影響更小，中心區域的流場變化相對平緩；同時，八旋翼無人機穩定性更強，負載能力更強，八旋翼可以承受單發甚至雙發失效的狀況，并且飛行器仍然可控，增加了飛行的安全性；當負載相同時，每一個旋翼需要提升的轉速也相對較小。而這些因素都決定了利用多旋翼無人機進行氣象探測時，八旋翼無人機更有優勢。

2 無人機流場對大氣探測設備的影響

大氣探測設備通常是在一個設備上集成多種傳感器配合主控板進行數據采集進行大氣探測，其種類多種多樣，技術也相當成熟。但是在無人機大氣探測的過程可以發現，無人機上的探測設備的測量數據跟定點和飛艇測量的數據相比，有一定的偏差，并且波動較大。結合大氣探測設備的原理，可以發現，氣流的干擾會對傳感器的測量產生影響，而根據影響方式的不同，可以將流場對傳感器的影響情況分為以下幾類：

2.1 對溫度、濕度傳感器的影響

常用的能夠實時連續監測溫度的傳感器利用了熱敏電阻或其他元器件的溫度特性，通過測量元器件參數的大小，測量環境的溫度值[13-14]。這類傳感器在使用中，要考慮到元器件附近的散熱，如熱敏電阻，當電流通過電阻，會產生熱量，此外，集成的探測儀中其他電路部分，也會有損耗，產生熱量。因此，需要一定的氣體流通，加速散熱，同時，通過對工作狀態下的值進行標定，來修正誤差。而當傳感器加裝在無人機上，無人機產生的氣流將會影響到傳感器正常的散熱環境，使溫度檢測產生誤差。

濕度傳感器與溫度傳感器原理相似，使用了濕敏電阻或其他濕敏元件。而無人機帶來的氣流，將改變流過濕敏元件的氣體流量，在單位時間內，附著在濕敏元件上的水也會相應變化，影響濕度的檢測。

2.2 氣體濃度傳感器

目前常用的氣體傳感器是先進行采集，采集到一定量的樣本氣體，再通過對采集到的樣本進行電化學性質分析，來獲取樣本中的特定氣體含量，進而檢測出環境中氣體濃度[15]。這種方法易受環境溫度濕度變化的干擾，針對這一問題許多傳感器采用了溫度濕度補償，然后再用高純度的標準氣體進行數據校準，因此性能更穩定，誤差較小。但當溫度濕度的檢測因為受到流場影響出現誤差時，就會影響到對氣體濃度的補償，給測量帶來了誤差。

圖12 流場對氣體傳感器影響示意圖

2.3 顆粒物傳感器

隨著霧霾問題的關注不斷提高，對大氣顆粒物的檢測應用的越來越多。對大氣顆粒物的實時檢測主要是通過對周圍環境氣體進行采樣，利用顆粒物的光學特性，對樣本進行分析[16]。在樣本的采集中，傳感器通過一個風扇，將周圍氣體以及其中的顆粒物吸入傳感器作為樣本，對樣本進行光電特性分析，求得顆粒物含量的大小。但當傳感器處于變化的流場中，顆粒物與氣體慣性不同，流動速度的變化會使采集到的樣本中顆粒物的含量與真實值不一致，帶來測量誤差。

3 對于多旋翼無人機氣象探測的優化建議與對比實驗

3.1 優化建議

通過以上的分析，我們發現，通過在多旋翼無人機平臺上加裝大氣探測設備的方式進行氣象探測，有其他方式無法取代的優勢，但同時，無人機本身造成的流場變化對傳感器的影響也不得不考慮在內。所以，在實際運用中，在考慮無人機平衡保證飛行安全的同時，要尋找一塊與在地面固定環境相似的，即流場相對穩定的區域。結合以下方法，可以明顯改善測量精度：

1)根據需要選用旋翼數多，相鄰旋翼間距較大的無人機。根據上述分析，我們發現，當旋翼數增多，相鄰旋翼間距增大的時候，無人機機身距離旋翼距離較遠，受影響程度小，更適合探測儀器的測量。

2)根據無人機外形，將探測儀器加裝在無人機中心軸，高度位于旋翼所在平面處為宜。根據以上分析，在無人機中心軸氣體流動較為平緩，同時，旋翼旋轉時，從上方很大范圍內吸入氣體，向下高速噴出，總體上看，上方氣流強度要小于下方。但同時，將設備裝在無人機上方會提升整體的重心，使穩定性下降。所以大氣探測設備安裝位置應在旋翼所在平面附近，對于重量較輕、精度需要較高的，可放在無人機上方，重量較大、精度要求不高的可放在無人機下方。

3)結合探測儀器設計布局，調整擺放方向。為了保證儀器內氣體與外界環境氣體的交換，許多探測設備在某些位置設計了通氣孔，在無人機上加裝儀器時，可根據無人機上氣體流動方向和大小，調整儀器方向，保證儀器內外流通，兼顧氣體流速大小。

3.2 對比實驗

根據利用無人機進行大氣探測的特點和需要，可以搭載在無人機上進行探測的必須是具有實時探測能力，同時擁有儲存數據的功能，或根據需要選擇可以實時傳輸數據的設備。此外，設備響應速度要快，能夠進行連續測量，采集方式必須采用自動采集，不能通過人工捕集等手段?；谝陨弦?，這里選擇了一款多參數大氣環境檢測儀進行實驗，將對溫度、濕度、NO 、PM2.5等參數進行檢測。

實驗步驟：

1)將多參數大氣環境測試儀安裝在無人機下方(首先選用的無人機為軸距為450 mm的四旋翼無人機)。

2)打開測試儀，讓其開始檢測，此時未啟動無人機，無人機周圍流場可認為沒有變化，檢測結果為真實值。

3)啟動無人機，讓無人機在同一高度、位置上保持懸停。

4)關閉無人機，再次記錄無人機未啟動狀態下的各參數值。

5)根據優化建議更換無人機平臺(使用大疆S1000八旋翼無人機)，改變測試儀放置位置，重復以上2～4步。使用無人機參數及測試儀放置位置對比見表1。

表1 優化前后差異對比

6)卸載數據，分析結果。

圖13 實驗優化前后對比

4 實驗結果與分析

經過以上對比實驗，卸載測試儀上數據，將兩次實驗數據整理，繪制折線圖，如圖14、15所示。

圖14 改進前測量結果

圖15 改進后測量結果

通過對比改進前后的實驗結果，可以發現：

1)在無人機啟動之前，不存在旋翼產生的氣流影響，此時測量結果穩定，優化前后測量結果基本保持一致，可見兩次實驗進行時，環境并沒有發生很大的變化。

2)無人機啟動后，可以看出在優化前，測得溫度先略有上升，很快開始持續降低，降低到一定程度后趨于平緩，而當旋翼停止旋轉后，測得溫度值逐漸回升；優化后，溫度變化趨勢與優化前基本一致，但變化的幅度明顯減小。

3)無人機啟動后，在優化前，測得濕度先有所下降，然后開始持續上升，上升到一定程度后趨于平緩；而當旋翼停止旋轉后，測得濕度值逐漸下降；優化后，濕度變化趨勢與優化前基本一致，不過幅度明顯減小。

4)以NO為例的氣體濃度檢測值在無人機啟動后，優化之前，測得濃度值略有上升，當旋翼停止旋轉后，測得濃度跟無人機啟動前相比，濃度略有下降；而優化后，NO濃度值變化不大。

5)以PM2.5為例的顆粒物含量檢測值在無人機啟動后， 優化前后的檢測值相差不大，但可以看出，優化后在無人機啟動之后，波動的峰值會有所降低。

通過以上結果的對比分析，可以發現，通過改變無人機平臺，將測試儀放置在影響較小的位置，可以使測試儀對溫度與濕度的影響明顯減??；減小氣體濃度及顆粒物的檢測結果的波動，準確度明顯提升。

5 總結與展望

本文面向目前新興的利用多旋翼無人機進行氣象探測的方法，針對此方法中由于無人機流場對探測精度產生影響的問題，著重分析了多旋翼無人機在飛行時的流場特點；同時，結合大氣傳感器的設計原理，分析造成測量誤差的原因；針對這一問題，在現有條件基礎上，提出了可以減輕影響的方法，即，選用更多旋翼的無人機平臺，相同旋翼的無人機，選用旋翼之間距離較大的無人機，此外，儀器安裝位置要靠近在機身中心橢圓錐形的相對靜風區；最后對多旋翼無人機加裝的探測儀器的設計提出了一些建議。通過實驗驗證了優化的效果，可以明顯減小測量的誤差。

作為一種新型的大氣探測技術，利用多旋翼無人機進行大氣探測還有很多技術需要完善，比如文中提到的如何去減少氣流干擾的影響，在今后的研究中，可以在以下方面進行進一步優化：

1)改變傳統的探測設備外形，采用流線型外形，在氣流速度較大的地方可以減輕氣流與儀器表面的碰撞，減少亂流，減輕激烈的碰撞帶來的無人機震動，提高飛行安全性。

2)結合多旋翼無人機流場特點和儀器外形設計，將無人機產生的有較明顯流動規律的區域氣流進行整流，以獲得近似的定常流，進行氣體的更新，加速探測設備中的氣體交換。

3)對多旋翼無人機正常飛行時旋翼轉速范圍內的流場進行分析，對此時探測儀器進出入氣流速度進行估算求解，在儀器分析探測結果時，將氣流流速的影響加入進行定標，或直接接受無人機轉速信息，對結果進行補償。

4)優化探測設備內部構造，將各傳感器和主要發熱部分進行合理布局，提高其準確度。

[1] 沈懷榮,邵瓊玲,王盛軍,等.無人機氣象探測技術 [M]. 北京:清華大學社,2010.

[2] 王 磊,王彥杰,于喜斌,等. 基于氣象無人機飛行狀態的“野值”判定及剔除方法研究 [J]. 傳感器世界,2014,20(12):25-29.

[3] 王彥杰,周樹道,王 敏,等. 基于氣象無人機GPS/DR組合導航的單步長測風方法研究 [J]. 傳感器世界,2010,16(7):14-16.

[4] 許成杰,楊旭東,朱 敏,等.臨近空間槳梢小翼螺旋槳布局氣動增效研究 [J]. 航空計算技術,2011,41(5):61-64.

[5] 舒崚峰,康亮杰,龍炳祥,等.基于Fluent軟件的螺旋槳翼型改進 [J]. 節能技術,2011,29(1):28-31.

[6] 陳 曉. 新型橫列式直升機剛性旋翼氣動性能分析[D]. 南京:南京航天航空大學,2011.

[7] 朱紅鈞.FLUENT 15.0流場分析實戰指南 [M]. 北京:人民郵電出版社,2015.

[8] 雷 瑤.Hex-rotor無人機多旋翼流場數值模擬與試驗研究[D]. 北京:中國科學院大學,2013.

[9] 郭曉鴻.微型四旋翼無人機控制系統設計與實現[D]. 南京:南京航空航天大學,2012.

[10] 袁紅剛，楊永東，楊 炯,等. 典型直升機旋翼翼型氣動特性試驗研究 [J]. 實驗流體力學,2013,27(1):20-24.

[11] 程鈺鋒,聶萬勝,胡永平,等. 基于滑移網格的臨近空間螺旋槳流場數值仿真 [J]. 直升機技術,2012,2:7-14.

[12] 符長青,曹 兵.多旋翼無人機技術基礎 [M]. 北京:清華大學出版社,2016.

[13] 鄧 俊,劉清惓,龔定祺,等.用于氣象探測的低輻射誤差溫度傳感器設計 [J]. 科學技術與工程,2015,16(15):72-76.

[14] Bian Z Y,Liang R S,Zhang Y J,et al.Multifunctional disk device for optical switch and temperature sensor[J].中國物理B.,2015,24(10):522-525.

[15] 陳 娟,馮錫枉,蒲春華,等.光纖氣體傳感器綜述 [J]. 吉林工學院學報,1997,18(3):14-19.

[16] 李 楠,湯 東,陳 烈,等.柴油機車載診斷系統新型顆粒物傳感器的研究 [J]. 儀表技術與傳感器,2013(6):1-3.