旋翼飛行器說(shuō)明書

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 四旋翼飛行器設(shè)計(jì)說(shuō)明書 指導(dǎo)教師： 第一組： CNC13-1班 2013年12月專心-專注-專業(yè) 目 錄 一、緒論1.1引言 任何由人類制造、能飛離地面、在空間飛行并由人來(lái)控制的飛行物，稱為飛行器。在大氣層內(nèi)飛行的飛行器稱為航空器，如氣球、滑翔機(jī)、飛艇、飛機(jī)、直升機(jī)等。他們靠空氣的靜浮力或空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力升空飛行。飛行器不僅廣泛應(yīng)用于軍事，在民用領(lǐng)域的作用也在增加。機(jī)載GPS和MEMS慣性傳感器的飛行器甚至可以在沒(méi)有人為控制的室外環(huán)境中飛行，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了大量研究。對(duì)飛行器的研究目前主要包括固定翼、旋翼及撲翼式三種，四旋翼飛行器在布局形式上屬于旋翼的

2、一種，相對(duì)于別的旋翼式飛行器來(lái)說(shuō)四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)緊湊。四旋翼飛行器能夠垂直起降，不需要滑跑可以起飛和著陸，從而不需要專門的機(jī)場(chǎng)和跑道，降低了使用成本，可以分散配置，便于偽裝，對(duì)敵進(jìn)行突襲和偵察。 四旋翼飛行器能夠自由懸停和垂直起降，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，這些優(yōu)勢(shì)決定了其具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，不但具有一般戰(zhàn)場(chǎng)需要的各種作戰(zhàn)功能，比如偵查監(jiān)視，為其他作戰(zhàn)武器知識(shí)目標(biāo)等，甚至可以作為投放武器的載體。目前國(guó)外四旋翼飛行器的研究蓬勃發(fā)展，美國(guó)、日本、德國(guó)等均具有此類研究項(xiàng)目且技術(shù)較為成熟。 1.2四旋翼飛行器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)有兩個(gè)階段，在第一個(gè)階段即20世紀(jì)初，法國(guó)科學(xué)家和院士Charl

3、es Richet制造了一個(gè)小型無(wú)人直升機(jī)，雖然該機(jī)不是很成功，但是啟發(fā)了他的一個(gè)學(xué)生Louis Breguet，1906年下半年在Richet教授的指導(dǎo)下做完了他們自行設(shè)計(jì)的直升機(jī)實(shí)驗(yàn)。1907年，Breguet兄弟制作了他們第一個(gè)載人四旋翼飛行器，首次試飛載人飛行高度1.5米。雖然穩(wěn)定性很差，但是當(dāng)時(shí)飛行器只是處于起步階段，Breguet兄弟在實(shí)現(xiàn)垂直飛行方面已取得了顯著的成就。20世紀(jì)20年代初，George de Bothezat為美國(guó)陸軍航空勤務(wù)部制作一個(gè)實(shí)驗(yàn)性四旋翼直升機(jī)，其巨大的六槳葉旋翼能夠使飛行器飛行成功，但是該飛行器非常復(fù)雜、難于控制、需要飛行員很大的工作量，僅僅在順風(fēng)的情

4、況下才能向前飛行，最終在1924年，美國(guó)軍隊(duì)取消了該四旋翼飛行器的研制。這一階段設(shè)計(jì)出了載人四旋翼飛機(jī)，這是第一批成功的可垂直起降的飛行器。然而，早起原型機(jī)表現(xiàn)欠佳，后來(lái)穩(wěn)定性較差，實(shí)用性和操控性低，所以載人四旋翼飛行器的發(fā)展幾乎停滯。第二階段即從21世紀(jì)初開始到現(xiàn)在，四旋翼飛行器的動(dòng)力能源采用電能，逐漸被各國(guó)所接受，主要是無(wú)人機(jī)，廣泛應(yīng)用于軍事、商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域。無(wú)人機(jī)主要包括兩大類：固定翼無(wú)人機(jī)和旋翼無(wú)人機(jī)。旋翼無(wú)人機(jī)在許多方面要優(yōu)于固定翼飛行器，具有更高的自由度、低速飛行的能力、懸停、室內(nèi)應(yīng)用等。四旋翼飛行器作為一種具有獨(dú)特飛行性能的無(wú)人機(jī)，正越來(lái)越受到人們的重視，迅速成為國(guó)際上新的研究熱

5、點(diǎn)。由于市場(chǎng)上四旋翼飛行器的定位于專業(yè)高端航拍人群，且制造成本過(guò)高，搭載拍攝裝置單一，本設(shè)計(jì)主要對(duì)四旋翼飛行器的整體結(jié)構(gòu)格局方面，成本管控方面以及靈活轉(zhuǎn)換拍攝裝置方面進(jìn)行探索，使本四旋翼飛行器具有低成本、大眾化、穩(wěn)定可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。2、 設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)思想2.1設(shè)計(jì)要求 1.飛行器采用四個(gè)旋翼作為飛行的直接動(dòng)力源； 2.具備自主起飛和著陸能力； 3.中心架可以3、4、6、12軸通用； 4.能夠以各種角度進(jìn)行飛行與拍攝； 5.飛控板、電池、電調(diào)和馬達(dá)的配合合理； 6.整體設(shè)計(jì)要美觀、輕便。 2.2設(shè)計(jì)思想 四旋翼飛行器采用四個(gè)旋翼作為飛行的直接動(dòng)力源，旋翼對(duì)稱分布在機(jī)體的前后、左右四個(gè)方向，四個(gè)

6、旋翼處于同一高度平面，且四個(gè)旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，旋翼1 和旋翼3 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋翼2 和旋翼4 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，以保證飛行平穩(wěn)，四個(gè)電機(jī)對(duì)稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制板和外部設(shè)備4。從以下幾點(diǎn)出發(fā)： 1）飛行器中心架的設(shè)計(jì)，要保證強(qiáng)度要求及整體結(jié)構(gòu)（碳纖維桿安裝、調(diào)控板安裝、電池安裝、起落架安裝）的同時(shí)越輕越好。 2）飛行器啟動(dòng)設(shè)計(jì)。電機(jī)最大工作電流和電池最大供電電流相匹配，飛機(jī)起飛重量與電機(jī)拉力相匹配，且保證電機(jī)最大功率時(shí)的輸出電流<電調(diào)最大電流<電池最大電流。 3）飛行器的能量轉(zhuǎn)換方式。綜合考慮到能量轉(zhuǎn)換與飛行動(dòng)力的相對(duì)關(guān)系，并盡可能的加大能量的利用率。

7、4）飛行器的起落架設(shè)計(jì)。起落架盡量簡(jiǎn)潔、輕便、緩沖保護(hù)作用且材料韌性較好。 5）飛行器的外觀設(shè)計(jì)。在不影響飛行器的正常飛行下，盡量減小自身的重量，并且要考慮到飛行器的整體外觀。 6）成本分析。 在實(shí)現(xiàn)飛行器能夠?qū)崿F(xiàn)基本運(yùn)行的情況下，充分考慮選材成本和加工成本的取舍。 圍繞這個(gè)中心，我們展開了一系列的分析與設(shè)想，經(jīng)過(guò)反復(fù)討論，最終確定了我們的設(shè)計(jì)思路。三、方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于四旋翼飛行器飛行時(shí)要克服空氣阻力與自身重力的同時(shí)保證平穩(wěn)飛行和各個(gè)角度拍攝，主要考慮：多軸轉(zhuǎn)化方面、動(dòng)力學(xué)分析、能耗分析三方面來(lái)設(shè)計(jì)。3.1多軸轉(zhuǎn)化方面方案一、采用中心架中心距的變化調(diào)整軸數(shù)量的改變（如圖1）：優(yōu)點(diǎn)：1.能夠以

8、最小的中心架安裝最多的軸； 2.能夠調(diào)整軸的角度更輕易的變換軸的數(shù)量以及角度； 3.中心架質(zhì)量更輕且節(jié)省成本。 缺點(diǎn)：軸安放的位置占用了其它裝置安放的位置，使整體空間變大，利用凹槽緊固穩(wěn)定性不夠。 圖1 方案一（中心板設(shè)計(jì)）方案二、采用多分支長(zhǎng)短結(jié)合調(diào)整軸數(shù)量（如圖2）： 優(yōu)點(diǎn)：1.避免多軸占用其它裝置的空間； 2.利用螺釘緊固更可靠。 圖2 方案二（中心板設(shè)計(jì)） 綜上分析，我們確定采用方案二，一方面，它很好地解決了飛行器多軸轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。另一方面，避免了方案一中多軸占用其他裝置空間的問(wèn)題，以及緊固強(qiáng)度不夠的問(wèn)題 。 3.2動(dòng)力學(xué)分析飛行器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要保證機(jī)翼產(chǎn)生的升力大于飛行器的飛行重量，根據(jù)

9、電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力帶動(dòng)機(jī)身向上運(yùn)動(dòng)，有以下公式進(jìn)行電機(jī)拉力計(jì)算1： 式中：T扭為電機(jī)扭矩，Nm；P為電機(jī)功率，W；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；F拉為電機(jī)拉力,N；r為電機(jī)中心距，mm；I為電機(jī)電流，A；R為電機(jī)電阻，。由此得出一個(gè)電機(jī)產(chǎn)生的拉力為4.099N，四個(gè)電機(jī)產(chǎn)生拉力為16.396N；由于四個(gè)機(jī)翼共同作用相互產(chǎn)生影響則真實(shí)產(chǎn)生拉力為和拉力的0.7倍，因此共產(chǎn)生拉力為11.4772N。機(jī)翼升力的計(jì)算4： 通過(guò)將機(jī)翼分割成無(wú)數(shù)個(gè)小槳葉，每個(gè)小槳葉為一個(gè)葉素（如圖3），通過(guò)計(jì)算每個(gè)葉素的升力推出機(jī)翼的升力，葉素距旋轉(zhuǎn)中心的距離為r，延展向的尺寸為dr，槳葉當(dāng)?shù)叵议L(zhǎng)為c，該葉素所產(chǎn)生的升力增量為：

10、 由此可計(jì)算出整個(gè)槳葉上的升力為 式中：c1為升力系數(shù)、為當(dāng)?shù)匮鼋恰樯€斜率。 圖3 葉素的幾何形狀由于機(jī)翼平面誘導(dǎo)速度v1的存在，使得葉素處的有效速度和氣流速度之間存在一個(gè)下洗角，當(dāng)?shù)匮鼋菫橛行俣扰c旋翼之間的夾角，可由槳葉幾何安裝角和下洗角來(lái)確定，如圖（葉素的幾何形狀）所示： 下洗角由相互垂直的氣流速度r和誘導(dǎo)速度v1所定義，即 其中r與v1之比可通過(guò)下式來(lái)確定： 由空氣動(dòng)力學(xué)翼型理論知，機(jī)翼在失速之前，其升力系數(shù)c1與仰角之間的關(guān)系與雷諾數(shù)Re基本無(wú)關(guān)，即升力線斜率a與Re無(wú)關(guān)。這樣，在機(jī)翼失速之前，可以用常規(guī)空氣動(dòng)力學(xué)理論確定的升力線斜率來(lái)求升力系數(shù)C1，并根據(jù)公式計(jì)算機(jī)翼上的升力

11、。（低馬赫數(shù)常規(guī)葉型的升力線斜率近似等于每度0.1）飛行器的起飛重量=飛機(jī)的重量+飛機(jī)質(zhì)量*加速度11 式中:G總為飛機(jī)的起飛重量，N；G飛為飛機(jī)的重量，N；m飛為飛機(jī)的質(zhì)量，Kg；為飛行器的起飛加速度，m/s2 ；T推為電機(jī)拉力，N；f摩為飛行器起飛時(shí)摩擦力，N；f靜為飛行器起飛時(shí)的靜摩擦力，N；f空為飛行器起飛時(shí)的空氣摩擦力，N；V為空氣的流速，m/s；A為空氣的雷諾數(shù)，CD為升力系數(shù)，K為靜摩擦系數(shù)，G為飛機(jī)的重量，N。 計(jì)算得出G=6.958N、a=0.0547m/s2、f空=8.99N、f靜=2.0874N飛行器的飛行重量為6.997N小于機(jī)翼升力10N，有公式可得出電機(jī)可帶動(dòng)最大重

12、量為1164g的飛行器起飛，由于電機(jī)功率以額定功率計(jì)算，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)只能達(dá)到0.7的效率，因此能帶動(dòng)814.8g的飛行器。3.3能耗分析 為保證電池供給能量轉(zhuǎn)化為機(jī)翼旋轉(zhuǎn)的升力足以帶動(dòng)機(jī)體運(yùn)動(dòng)，電調(diào)與電機(jī)的選擇以滿足整體結(jié)構(gòu)的前提下，最小能耗為優(yōu)。查閱相關(guān)資料11，電池輸出電量通過(guò)電調(diào)、導(dǎo)線能量耗損為： 公式中：P線損為導(dǎo)線損失功率，W；I為導(dǎo)線通過(guò)的電流，A；R為導(dǎo)線電阻，；P輸為電池輸出功率，W；U輸電池輸出電壓，V。 計(jì)算出導(dǎo)線損耗為2.502W，電調(diào)損耗為3W。電機(jī)的損耗產(chǎn)生在熱能與聲能兩方面具體損耗為：由電機(jī)拖動(dòng)原理電機(jī)內(nèi)阻為0.52歐姆，則通過(guò)電機(jī)定子的電流為10/0.52=19.23

13、安培，產(chǎn)生的熱能為192.3焦耳。四、典型零件強(qiáng)度校核4.1起落架校核計(jì)算：飛行器降落時(shí)起落架要保證飛行器平穩(wěn)著地，吸收撞擊產(chǎn)生的能量保護(hù)飛行器各部件，當(dāng)起落架一端著地時(shí)對(duì)起落架的沖擊力最大(起落架如圖4)，現(xiàn)以起落架一端著地時(shí)計(jì)算產(chǎn)生的沖擊力，查閱相關(guān)資料5得知：式中：P為沖擊力，N；h為起落架厚度，mm；L為起落架寬度，mm；b為起落架長(zhǎng)度，mm；E為材料彈性模量，MPa。計(jì)算得知需要127.29N才能使起落架變形，由飛行器的起飛重量為6.997N，由公式：式中：F為沖擊力，N；m為飛行器質(zhì)量，Kg；v為飛行器飛行速度，m/s；L為飛行高度，m。最大沖擊力為71.397N，由使起落架產(chǎn)生變

14、形的沖擊力127.29N>71.397N,因此起落架滿足強(qiáng)度要求。 圖4 起落架4.2螺栓校核計(jì)算：為保證電機(jī)的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，螺栓的連接強(qiáng)度要滿足抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度。電機(jī)旋轉(zhuǎn)對(duì)螺栓產(chǎn)生的抗剪強(qiáng)度10：由公式得出抗剪強(qiáng)度=4.35MPa查表螺栓的p為284MPa得出 滿足強(qiáng)度要求。 連接件孔壁與螺栓光桿的抗壓強(qiáng)度： 由公式得出抗壓強(qiáng)度為6.148MPa 查表螺栓的 為284MPa得出滿足強(qiáng)度要求。五、材料選取及加工工藝5.1材料選取本次方案中大部分零件采用3D打印機(jī)加工，為保證加工零件尺寸穩(wěn)定、表面光澤好、易于進(jìn)一步加工，因此打印材料的選擇主要考慮成型性能與物理性能，下面為三種材料性能的對(duì)比7

15、： 塑料種類成型性能物理性能ABS成型性能中等、收縮率小、冷卻速度快、流動(dòng)性能好沖擊強(qiáng)度高、機(jī)械加工性能中等、化學(xué)穩(wěn)定性PP能行性能較好、耐熱性差、易變性、相比最輕耐老化、耐沖擊、電絕緣性能好、易燃韌性差PLA成型性能中等、較輕不易變形、冷卻速度快、收縮率小沖擊強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、機(jī)械加工較好、韌性好、易降解 根據(jù)三種材料的對(duì)比，PLA塑料在成型方面與后期機(jī)械加工和穩(wěn)定性方面都比較好，而且PLA塑料易于降解不會(huì)造成污染，因此本次設(shè)計(jì)的零件的材料以PLA塑料為主。5.2加工工藝： 飛行器加工件主要以中心架與起落架和航拍裝置為主，材料主要以PLA塑料為主采用3D打印機(jī)加工，PLA塑料抗沖擊性、耐熱性

16、、耐低溫型、耐化學(xué)藥品性及電氣性能好，還具有易加工、制品尺寸穩(wěn)定、表面光澤好等特點(diǎn)，但是由于PLA塑料的拉伸率較差，因此設(shè)計(jì)時(shí)要考慮厚度，加工肋板以保證強(qiáng)度耐沖擊。 加工過(guò)程中要考慮3D打印機(jī)的行程，不能超過(guò)其打印行程；加工過(guò)程中對(duì)于零件的圓角與凸臺(tái)要進(jìn)行構(gòu)造輔助支撐絲保證加工的質(zhì)量防止變形；加工過(guò)程中要根據(jù)零件強(qiáng)度的要求確定堆疊的層數(shù)，以保證加工零件外形尺寸與強(qiáng)度要求滿足設(shè)計(jì)要求。六、總結(jié)與展望 本文以四旋翼飛行器為研究對(duì)象，主要研究了飛行器的主體結(jié)構(gòu)、飛行動(dòng)力轉(zhuǎn)換與各部件的強(qiáng)度要求，以滿足飛行器在航拍過(guò)程中的各種要求，達(dá)到良好的航拍效果。 本文的研究工作主要設(shè)計(jì)并搭建了四旋翼飛行器的硬件系

17、統(tǒng)，建立了飛行器的相關(guān)數(shù)字模型。針對(duì)自行設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析、能耗分析、嘗試多軸多機(jī)翼模型的搭建，能夠?qū)崿F(xiàn)飛行器的穩(wěn)定航拍效果。 本文是在四旋翼飛行器控制技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)基礎(chǔ)性探索研究，由于本人是首次接觸四旋翼飛行器，在前期的積累為零，雖在導(dǎo)師的指導(dǎo)下克服了非常多的困難，取得了一定的進(jìn)展。但就其深度而言，還尚顯膚淺，尤其在自主飛行控制方面還處于探索階段，因此本文在很多方面還有待于進(jìn)一步的探索和完善主要包括以下幾個(gè)方面： 1）無(wú)GPS導(dǎo)航、視覺和通信等系統(tǒng)； 2）利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航并按預(yù)先設(shè)定路線飛行的能力、信息傳輸能力和任意姿態(tài)飛行的能力將進(jìn)一步健全和完善，自主飛行是該技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，將在預(yù)定航線飛行等方面發(fā)揮重要作用。使其具有自主起降和全天候抗干擾穩(wěn)定飛行能力。 七、參考文獻(xiàn)1 同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)系.高等數(shù)學(xué)M.北京：高等教育出版社，2007.2 何銘新，錢可強(qiáng).機(jī)械制圖.第五版M.北京：高等教育出社，1993.3 梁正強(qiáng).機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例M.北京：中國(guó)鐵道出版社出版，1989.4 劉曹茹，吳志軍，高政一，等.