簡易四旋翼飛行器制作明細.docx

精品文檔 無人飛行器應(yīng)用概述 及四旋翼遙控飛行器 的制作 2016年04月26日15歡迎下載15歡迎下載15歡迎下載。序 遙控飛機是一種由無線電遙控設(shè)備以及地面程序控制裝置操縱的無人駕駛飛行器。從技術(shù)角度定義可以分為：無人直升機、無人固定翼機、無人多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機等。自二十世紀初，全球無人機技術(shù)的普及將無人飛行器的應(yīng)用推廣開來，現(xiàn)已形成了軍用，民用等多個不同體系，通過搭載不同的機載設(shè)備，無人飛行器可以具備多種實用性功能。隨著無人飛行器技術(shù)的發(fā)展而逐漸形成的自動化、模塊化、可持續(xù)航行等諸多技術(shù)標準已經(jīng)使得無人飛行器的制作與使用變得更為簡單，高效。本次設(shè)計為四旋翼于無人遙控飛行器的制作與開發(fā)，運用所學電子工藝技術(shù)以及電路知識，完成對飛行器的基本電路設(shè)計，實現(xiàn)無人飛行器基本功能。無人飛行器的構(gòu)成包括飛行平臺，動力裝置，導航飛控系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)，任務(wù)設(shè)備，顯示系統(tǒng)，操縱系統(tǒng)，機載設(shè)備，地面控制裝置等。無人飛行器設(shè)計，以無人飛行器基本構(gòu)成思想為指導，在保證基本組件及基本模塊正確使用的前提下，對飛行器相關(guān)結(jié)構(gòu)進行簡化，減小飛行器體積，減輕飛行器質(zhì)量，在提高飛行器易操作性及靈活性的同時，也無形中延長了飛行器的空中續(xù)航時間，使得飛行器的高空能力得到進一步提升。本次設(shè)計著重闡述無人飛行器設(shè)計以及制作關(guān)鍵步驟，通過對制作過程的細致闡釋，對純手工制作無人飛行器進行關(guān)鍵性的、系統(tǒng)的、細致的的描述。無人飛行器的概念及用途無人機所以會受到如此重視 , 其原因是自身所擁有的獨特優(yōu)勢 , 現(xiàn)代科技的發(fā)展使得防空武器的性能日益提升 , 這無疑大大增加了有人機在空戰(zhàn)中的風險程度 , 而無人機則適應(yīng)了現(xiàn)代戰(zhàn)爭對減少乃至避免人員傷亡的要求。再則 , 從研制、 使用和維護成本看 , 相當于有人機而言 , 無人機的研制、 使用和維護成本要低廉得多。更何況 , 無人機因其自身的優(yōu)越性能 , 可以在超低空和超高空長時間盤旋 , 較之有人機其活動空間和范圍更為廣闊。有鑒于此 , 研制和發(fā)展無人機成為各國軍方尤其是發(fā)達國家軍方的重要選擇。近年來 , 無人機的研制和發(fā)展在許多國家受到極為廣泛的重視 , 為進一步促進和推動無人機的研制和發(fā)展進程 , 本文擬對無人機制作和開發(fā)做系統(tǒng)介紹和分析 , 以期在無人機研制和發(fā)展方面提供可資借鑒的思路。 無人飛行器無駕駛艙，但安裝有地面控制、程序控制裝置等設(shè)備。地面、艦艇上或母機遙控站人員通過雷達等設(shè)備，對其進行跟蹤、定位、遙控、遙測和數(shù)字傳輸。與載人飛機相比，它具有體積小、造價低、使用方便、對作戰(zhàn)環(huán)境要求低、戰(zhàn)場生存能力較強等優(yōu)點。由于無人駕駛飛機對未來空戰(zhàn)有著重要的意義。接下來對無人飛行器的概念及用途進行闡述。1偵查監(jiān)視這也是無人機最早的用途之一。無人飛行器可以深入陣地前沿和敵后。它依靠裝在機上的可見光照相機、電影攝影機、標準或微光電視攝像機、紅外掃描器和雷達等設(shè)備，完成各種偵察和監(jiān)視任務(wù)。一般來說，一架無人機可攜帶一種或幾種偵察設(shè)備，按預(yù)定的程序或地面指令進行工作，最后將所獲得的信息和圖像隨時傳送回地面，供有關(guān)部門使用；也可以將獲得的所有信息記錄下來，待無人飛行器回收時一次取用。隨著高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，無人飛行器上的設(shè)備性能也在不斷提高，同時還增加了一些新的裝備，應(yīng)用范圍進一步擴大。如裝備全球定位系統(tǒng)（GPS）后，無人飛行器可與偵察衛(wèi)星和有人駕駛偵察機配合使用，形成高、中、低空，多層次、多方位的立體空中偵察監(jiān)視網(wǎng)，使所獲得的情報信息更加準確可靠。2騙敵誘餌 使用無人飛行器吸引敵方的火力或整個防空系統(tǒng)，進而將其破壞或摧毀，是近一二十年人們?yōu)闊o人飛行器開發(fā)出的新用途。作為誘餌之用的無人飛行器，其主要使命是協(xié)同其他電子偵察設(shè)備遂行誘騙偵察；或作為突防工具，為有人駕駛飛機提供防空壓制；或與反輻射武器配合使用，壓制和摧毀敵防空系統(tǒng)。為此，這種無人飛行器與其他用途的無人飛行器有所不同。為了提高作為誘餌的欺騙效果，常常要采取一些措施，如進行特殊設(shè)計，并裝上適當?shù)碾娮釉O(shè)備，使其具有與欲模擬的目標有相仿的機動能力和信號特征；安裝角反射器等無源裝置，增大無人飛行器的雷達反射面積；安裝射頻放大設(shè)備，增強雷達反射信號?？傊?，就是千方百計讓敵方容易發(fā)現(xiàn)它，吸引敵方的注意力。一般來說，在執(zhí)行誘騙任務(wù)時，誘騙無人飛行器先在前沿陣地上空模仿有人駕駛飛機作戰(zhàn)術(shù)飛行，刺激或誘發(fā)敵防空武器系統(tǒng)中的雷達開機，然后己方偵察設(shè)備趁機完成偵察任務(wù)。用作突防工具時，無人飛行器先于己方的攻擊機群從側(cè)面到達敵防空體系所保護的目標區(qū)，迷惑敵方雷達，消耗敵防空兵器。這些無人飛行器由于采用了增大雷達反射截面積和信號強度等措施，具有很強的欺騙性。敵方的雷達將首先截獲到這些假目標，但很難識別，導致把這些錯誤的情報傳遞到敵火控雷達系統(tǒng)和防空武器。這樣，一方面可使敵防空雷達網(wǎng)在對付這些假目標上消耗大量時間，另一方面敵武器系統(tǒng)會對其開火或發(fā)射導彈，消耗防空火力，從而降低對己方攻擊機的威脅。事實證明，誘餌無人飛行器曾在幾次局部戰(zhàn)爭中發(fā)揮了相當重要的作用。例如，在1973年的第四次中東戰(zhàn)爭中，以色列使用美國的“鷓鴣”式小型無人機作為誘餌，欺騙敵防空火力，掩護自己的飛機進攻。據(jù)介紹，曾有1架無人機誘使32枚“薩姆”導彈對其發(fā)射。隨后，以軍的F4戰(zhàn)斗機和A一4攻擊機緊隨其后，順利完成了對埃軍陣地的攻擊任務(wù)。3實施干擾無人飛行器可用于對敵方通信系統(tǒng)進行干擾，使其通信中斷，指揮失靈。發(fā)展趨勢是向干擾雷達和干擾通信同時進行方式發(fā)展。因為要想使敵方地域的所有雷達都受到完全干擾是不大可能的，那么未受干擾壓制的雷達所獲得的有關(guān)目標的信息，可以通過通信線路傳送到已受干擾雷達陣地上。所以，只有在干擾雷達時，同時對通信系統(tǒng)也予以干擾，才能使敵方高炮和導彈陣地無法得到所需要的情報信息。為此，一架無人飛行器可同時裝備兩種或兩種以上的干擾設(shè)備，根據(jù)需要靈活運用；也可是兩種或多種不同用途的無人飛行器或無人飛行器與電子戰(zhàn)飛機之間的協(xié)同作戰(zhàn)。4對地攻擊作為一種空中運載工具，無人飛行器也能攜帶多種對地攻擊武器，飛往前線或深入敵占區(qū)縱深，對地面軍事目標進行打擊；它可以用空對地導彈或炸彈對敵防空武器實施壓制；用反坦克導彈等對坦克或坦克群進行攻擊；用集束炸彈等武器對地面部隊集結(jié)點等進行轟炸。特別值得一提的是反輻射攻擊無人飛行器。這是一種利用敵方雷達輻射的電磁波信號，發(fā)現(xiàn)、跟蹤，以至最后摧毀雷達的武器系統(tǒng)。它不僅可用于攻擊敵方雷達、干擾機和其他輻射源，而且高速反輻射無人機加裝復(fù)合制導裝置等設(shè)備后，還可用于攻擊敵預(yù)警機和專用電子干擾飛機。5通信中繼如美國的“先鋒”式無人機裝有抗干擾擴頻通信設(shè)備、大功率固態(tài)放大器、全向甚高頻和超高頻無線電臺中繼設(shè)備等，可在C波段進行數(shù)據(jù)、信號、話音和圖像通信，通信距離為185公里。無人機除了具備上述7種功能外，還有其他飛機所不具備的特長。一是費用低廉。無人機的造價通常在幾萬至幾十萬美元之間。與有人駕駛飛機相比，價格差距十分懸殊，相當于有人駕駛飛機的1/1001/1000。無人機操縱人員只需半年的常規(guī)培訓，而培養(yǎng)一名有人駕駛飛機的飛行員，必須經(jīng)過4年以上的專門培訓，且耗資巨大。無人機執(zhí)行與有人機相同的任務(wù)時，所耗燃料也相當少，通常只占有人機的l%。二是隱蔽性好，生存能力強。無人機的長度基本在10米以內(nèi)，重量大多在12噸之間；因此，它在空中活動十分輕捷自如，各種探測器材很難發(fā)現(xiàn)它的行蹤。三是使用簡便，適應(yīng)性好。無人機既可以近距離滑跑升空，也可以直接發(fā)射升空；既可以在公路上起飛，也可以在海灘、沙漠上起飛，因而可在前線廣泛使用。無人機的回收也很方便，既可以用降落傘和攔阻網(wǎng)回收，也可以利用起落架、滑橇、機腹著陸。此外，無人機能適應(yīng)各種環(huán)境，可以毫無顧忌地進出核生化武器的沾染區(qū)，并可以在各種復(fù)雜氣象條件下連續(xù)飛行。6救災(zāi)應(yīng)用2011年3月10日云南盈江地震災(zāi)情發(fā)生后，裝載有低空無人機航攝系統(tǒng)的測繪應(yīng)急車連夜趕赴盈江縣實施無人飛機航拍任務(wù)。3月11日上午，第一架無人飛機于9:00在盈江縣城順利起飛，對災(zāi)區(qū)全境進行了長達50分鐘的航空攝影，成功獲取到盈江災(zāi)區(qū)首批震后20平方千米、1000多張0.1米的高分辨率航空影像。3月11日下午，無人飛機再次起飛，成功獲得第二批航空影像數(shù)據(jù)并在第一時間傳回北京。這些寶貴的影像數(shù)據(jù)可以比其他觀測手段更直觀的進行災(zāi)后的災(zāi)害評估和重建決策。無人飛行器的主要優(yōu)勢 1.更強的機動性近代，戰(zhàn)斗機內(nèi)人體忍耐力會限制軍隊在快速行動期間利用飛機集中人員的數(shù)量，而無人戰(zhàn)斗機消除了這一瓶頸，從而使得機動性大幅提高。 2.重量更小重量可以影響很多方面，如續(xù)航時間、加速、有效載荷等。畢竟駕駛艙內(nèi)的一兩名飛行員及所有物品會有很大的重量。 3.更好的空氣動力不需要駕駛艙頂蓬. 4.環(huán)境感知利用無人戰(zhàn)斗機能夠在地面上構(gòu)建虛擬座艙，這比飛機上安裝任何裝置都有效。而且，對于執(zhí)行制空任務(wù)而言，環(huán)境感知是很重要的，而空空作戰(zhàn)并不需要在實際飛機上進行偵察。 5.不會讓相關(guān)人員疲勞地面飛行員可以控制他們的無人戰(zhàn)斗機，執(zhí)行任務(wù)時更舒適，更靈活。 6.耗資更低飛行部隊耗資更低。所有的人機互動裝置、生命維持、彈射座椅等會需要很多資金，但如果是無人戰(zhàn)斗機，就僅需要人機交互裝置，而且許多無人機可以共用一個，更低價，無需承受所有的壓力。相關(guān)人員只需與無人戰(zhàn)斗機進行通信，而且飛機中已經(jīng)有一些通信方式，所以不會有大的變化。 7.讓飛行員遠離危險無人戰(zhàn)斗機能夠挽救飛行員的生命。訓練飛行員的成本很高，而且很難迅速進行替換。 8.無人戰(zhàn)斗機能夠開展遠程超視距外空對空攻擊以及視距內(nèi)近程作戰(zhàn)，而且無人戰(zhàn)斗機成本低、數(shù)量與質(zhì)量相當并且有可能用于與敵軍同歸于盡的戰(zhàn)術(shù)中。無人飛行器的相對不足 無人飛行器容易受到干擾以及人員因素的影響。而且，無人戰(zhàn)斗機的行動還存在滯后性，雖然無線電通信能夠迅速傳播，但在空戰(zhàn)過程中反應(yīng)時間也是至關(guān)重要的。此外，無人飛行器還存在單點失效性：一旦地面控制中心出現(xiàn)故障，那么無人飛行器便會喪失效用。無人飛行器的功能及基本要求本次無人飛行器設(shè)計的基本目標為實現(xiàn)無人飛行器的實物形成，在飛行器制作成功的基礎(chǔ)上，完成地面人員可對無人飛行器進行自由操控。無人飛行器的制作過程無人飛行器制作基本理論四軸無人飛行器，其構(gòu)造特點是在它的四個角上各裝有一旋翼，由電機分別帶動，葉片可以正轉(zhuǎn)，也可以反轉(zhuǎn)。為了保持飛行器的穩(wěn)定飛行，在四軸飛行器上裝有3個方向的陀螺儀和3 軸加速度傳感器組成慣性導航模塊，它還通過電子調(diào)控器來保證其快速飛行。此外，四軸飛行器之所以能夠平穩(wěn)飛行，就不得不提到兩個核心組件，飛控與電調(diào)。飛控的核心組成及大概原理 四軸飛行器相對于常規(guī)飛行器來講，具有更為復(fù)雜的電子控制系統(tǒng)，在大部分常規(guī)飛行器上，陀螺儀并非常用組件，四軸飛行器與常規(guī)飛行器不同的地方在于其控制部分必須配備陀螺儀。由于四軸飛行器較為特殊的動力組成部分以及外觀結(jié)構(gòu)，要保證四軸飛行器可以在空間內(nèi)平穩(wěn)飛行，飛控裝置必須要搭載一枚三軸陀螺儀，在搭載陀螺儀的基礎(chǔ)上，輔以一個三軸加速度傳感器，在飛行器飛行過程中對其進行姿態(tài)感應(yīng)，使飛行器能夠隨時保持平穩(wěn)狀態(tài)。電調(diào) 四軸飛行器四個槳葉分為兩組，在轉(zhuǎn)向上分為正傳與反轉(zhuǎn)，通過槳葉相互之間的反向旋轉(zhuǎn)抵銷掉槳葉高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的扭力，使飛行器在方向上保持穩(wěn)定。在槳葉高速旋轉(zhuǎn)的過程中，為了應(yīng)對因細微姿態(tài)變化引起的抖動、漂移等情況，需要為電機配置四個相同的高靈敏度電調(diào)，時刻監(jiān)測通過電機電流的大小，保證飛行姿態(tài)的穩(wěn)定。飛行器制作所需材料由于條件限制，本次設(shè)計取材較為環(huán)保，下面就本次無人飛行器制作所用材料進行列舉。細 鋁 管取自廢舊天線的鋁合金細管，用于制作飛行器的部分機架。鋁 窗 架廢舊鋁合金窗架，用于飛行器主要架構(gòu)。塑 料 瓶用于安放飛行器控制電路。橡 皮 筋用于固定電池。鉚 釘若干棉 線普通的棉線，用于飛行器部分結(jié)構(gòu)的固定。萬 能 膠用于飛行器機身的完美粘合。塑料水彩筆盒一個，用于制作遙控器。高速電機四個。槳 葉四對。50mm苯板一張用于飛行器外框架及底座的制作。700mAh航模用電池二個。五號干電池若干。以上為本次設(shè)計所要用到的基本材料，除此之外，在飛行器設(shè)計與制作的過程中，由于時間原因，采用了數(shù)個集成模塊，列舉如下：迷你飛控電路用于制作飛行器的核心電路。簡易寬頻飛行器遙控電路用于制作地面遙控裝置。飛行器制作本次設(shè)計制作各材料以純手工加工處理，下面著重描述加工及制作步驟。1. 飛行器機架的制作：圖(1)（1） 取廢舊鋁合金窗架三根，去除邊角，保留中間位置的方形管構(gòu)，對其進行打磨處理，留作備用,見圖(1)。圖(2)（2） 取打磨好的方管一根，依預(yù)定尺寸切做四段；將切好的方管兩端開口，斜切預(yù)留45角，前后對應(yīng)位置開口并打磨，各段中心位置打直徑7mm圓孔并處理至光滑，備用，見圖(2)。（3） 將剩余二根方管按預(yù)定尺寸兩端開槽，其中一根在中間部位豎直方向開口，寬度與自身寬度一致，后對其兩端進行處理，至剛好可以銜住電機為止,見圖(3)。圖(3-c)圖(3-b) 圖(3-a) 圖 (2)（4） 直徑8mm鋁管的加工：鋁管用于制作四軸飛行器外部框架的四個支撐力臂。將廢舊天線上結(jié)構(gòu)完好的細鋁管拆下，從中按照計劃截取四根，并修理至長度一致，如下圖。（5） 將截取的四根鋁管一端開口，見圖(4)。圖(4)（6） 取兩根方管，將中心處未開口的一根小心的砸入開口的一根內(nèi)，使其中心位置對應(yīng)，并在其連接處用鉆頭打孔，方便鉚釘穿入,見圖(5)。圖(5)（7）將處理好的四根兩端45角開口的鋁管與兩根長方管組合成的機身主體進行銜接，并在銜接完全后與銜接處打孔，至鉚釘可以穿入時取下，并將孔洞打磨光滑，附圖(6)。 圖(6)（7） 將處理好的各構(gòu)件打孔，以減輕總體質(zhì)量。（8） 取塑料瓶一個，將其按照計劃進行處理，并將飛控電路置入。（9） 將四根8mm鋁管，兩根長方管，四根兩端45角開口方管及加工好的部分塑料瓶進行結(jié)構(gòu)組合，組合完成后在預(yù)留孔洞內(nèi)插入鉚釘，并使其固定，至此，飛行器機架部分的制作基本完成,具體參考圖(7)。（10） 為已經(jīng)完成的飛行器機架安裝電機，并焊接好線路。圖(7)（11） 取備好的50mm苯板，按照計劃裁切，制作飛行器外部框架。（12） 將飛行器機架與外部框架進行組合，至此，飛行器整體的制作基本完成,見圖(8)。（13） 對準備好的水彩筆盒進行加工并置入遙控電路，簡單完成對飛行器遙控器的制作。圖(8)至此，飛行器的總體制作已經(jīng)基本完成，經(jīng)過平衡調(diào)試后進行試飛，能夠順利實現(xiàn)設(shè)計目標，本次設(shè)計制作完成，成品如下圖所示：飛行器制作注意事項本次設(shè)計整體上來說是成功的，實現(xiàn)了本次設(shè)計的最初設(shè)想，完成了對飛行器的自由操控以。然而，不可避免的，也有諸多不足之處需要改進，比如在選材方面，鋁質(zhì)機身雖具有輕便的特點，然而強度仍有不足，需要改進。在內(nèi)部核心裝置的選擇上，由于沒有注意個原件電壓是否匹配，