涵道式飞行器与开放桨相比有更好的气动效率,在同样的转速下,合理的涵道设计能使升力提高至1.4倍,能适配各种动力装置(电机/活塞或转子内燃机/涡喷/涡轴),能在续航和载荷上较大的设计空间。由于涵道式飞行器在气动设计,控制器设计,结构材料与工艺等因素的阻碍,民用应用较少,目前主要应用在国外军方领域。
KVID(Kilofan Vehicle Integrated Design)是千叶智能科技针对涵道式无人机的开发平台,集构型定义气动设计与仿真动力系统匹配及模拟计算动力学计算与仿真控制算法设计与仿真材料及工艺评估载具类型建议等无人机开发全流程一体设计平台,降低涵道式飞机的设计门槛。
KVID平台旨在实现在无人机(当前支持涵道式单旋翼无人机,未来会发展开发支持更多形态无人机)定义到落地应用整个流程可量化评估,可开发量产的行业规范。必将促进无人机资源高效利用,快速落地应用。
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整体定义

KVID无人机开发流程以“整体定义”为起点,按照应用需求,如载荷,续航能力等指标进行概念设计。在此流程模块中,可以对无人机一系列参数进行定义,为后续流程确定整体参数。关键参数如下示例:

飞行器整体定义参数表

参数 定义 示例 备注
项目名称 定义项目名称 CDF-390
气动类型 选择飞行器特定气动类型,目前仅计划支持涵道式单旋翼VTOL 涵道式单旋翼VTOL 此参数确定飞行器的基本构型
最大载荷 定义此飞行器最大负重,可选1KG~300KG。 18KG 最大负重在此处定义的值与最终设计结果并非完全精确匹配,依据不同动力系统选型,不同气动参数,最终设计结果会在此定义值上下浮动。例,定义值:18KG,最终设计值:17.5KG
有效载荷 定义此飞行器有效载荷,可选1KG~300KG 10KG
续航时间 定义此飞行器续航时间,可选10min~5h 2h 续航时间由有效载荷和油箱(电池容量)确定。
 最大高度  定义此飞行器最大高度,可选0.5M~2M  0.8M  非最终设计精确值。单位:米
桨叶尺寸 定义此飞行器桨叶尺寸,可选70mm~1200mm 390mm 单位:毫米
目标尺寸 定义此飞行器目标直径尺寸,可选90mm~1500mm 420mm 单位:毫米
其他参数

气动设计

整体参数定义后,进入气动设计参数定义阶段。此模块可对已设定的飞行器参数,进行空气动力学参数定义及模拟。
此模块分为四部分:涵道设计与模拟,静叶片设计与模拟,控制舵面或向量喷嘴设计与模拟,整体气动分析与模拟。
此步骤提供在不作动力考虑下,达到整体参数要求所需的整体气动参数建议、评估及仿真。
在此步骤所计算的结果,并不完全作为最终气动参数。后续的动力匹配步骤,也会对此气动参数提出要求。最终的气动参数须综合考虑各方面制约因素进行取舍。
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动力匹配

涵道式飞行器能接受几乎所有的动力配置并且有成功应用。从电机驱动的小型涵道式飞机,到起飞重量超过100公斤的美国goldeneye涡轴涵道式飞机。KVID平台掌握的试验数据可以设计从10英寸到40英寸,载荷重1公斤到150公斤的涵道式推进系统(propulsion system)。KVID收集国内外数百款主流内燃机参数,并为每台内燃机建立相应的动力模型,并支持自定义发动机参数输入建模。结合整体参数要求,以及气动计算,估算发动机需要的最高转速、功率、马力、扭矩、油耗等重要参数。
常规的动力匹配过程需与气动设计反复检验、调整,必要时候需更改整体设计要求,才能最终确定选择的发动机型号。KVID能让整个匹配的过程变得有的放矢,让设计少走弯路。
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控制系统设计

由于涵道式飞机在气动上的非线性特性,涵道式飞行器的姿态控制上以舵面扰流的方式实现,使得每个轴线上姿态控制都是一个MIMO(多输入多输出)系统。这也是一般应用在多轴飞行器上基于RPM PID的控制器不能得到较好控制的原因。KVID针对涵道式飞行器的飞行控制器,从建模开始,对机体结构重心,动力,载荷,风速对舵面产生的控制力等多个因素,以状态空间法为基础进行控制策略设计以及仿真,对个体设计的飞行器有较高的适应度。
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