旋翼飛行器說明書要點

1、四旋翼飛行器設(shè)計說明書指導(dǎo)教師：第一組：CNC13- 1 班2013 年 12 月精品文檔目錄一、緒論 .21.1 引言 .21.2 四旋翼飛行器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.2二、設(shè)計要求與設(shè)計思想.32.1 設(shè)計要求 .32.2 設(shè)計思想 .3三、方案結(jié)構(gòu)設(shè)計 .43.1 多軸轉(zhuǎn)化方面 .43.2動力學(xué)分析63.3 能耗分析 .8四、典型零件強度校核.84.1 起落架校核計算： .錯誤! 未定義書簽。4.2螺栓校核計算：9五、材料選取及加工工藝.95.1 材料選取 .105.2 加工工藝： .10六、總結(jié)與展望 .11七、參考文獻(xiàn) .12。1歡迎1下載精品文檔一、緒論1.1 引言任何由人類制造、能飛離

2、地面、在空間飛行并由人來控制的飛行物，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、飛艇、飛機、直升機等。他們靠空氣的靜浮力或空氣相對運動產(chǎn)生的空氣動力升空飛行。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。機載 GPS和 MEMS慣性傳感器的飛行器甚至可以在沒有人為控制的室外環(huán)境中飛行， 因此國內(nèi)外對此進(jìn)行了大量研究。對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一種， 相對于別的旋翼式飛行器來說四旋翼飛行器結(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場和跑道，降低了使用成本，可以分散配置

3、，便于偽裝，對敵進(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)簡單，易于控制， 這些優(yōu)勢決定了其具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域， 不但具有一般戰(zhàn)場需要的各種作戰(zhàn)功能， 比如偵查監(jiān)視，為其他作戰(zhàn)武器知識目標(biāo)等， 甚至可以作為投放武器的載體。 目前國外四旋翼飛行器的研究蓬勃發(fā)展，美國、 日本、德國等均具有此類研究項目且技術(shù)較為成熟。1.2四旋翼飛行器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀四旋翼飛行器的設(shè)計有兩個階段， 在第一個階段即 20 世紀(jì)初，法國科學(xué)家和院士 Charles Richet 制造了一個小型無人直升機，雖然該機不是很成功，但是啟發(fā)了他的一個學(xué)生 Louis Breguet ，1906 年下半年在 Ri

4、chet 教授的指導(dǎo)下做完了他們自行設(shè)計的直升機實驗。 1907 年，Breguet 兄弟制作了他們第一個載人四旋翼飛行器，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)時飛行器只是處于起步階段， Breguet 兄弟在實現(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 為美國陸軍航空勤務(wù)部制作一個實驗性四旋翼直升機， 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。2歡迎2下載精品文檔非常復(fù)雜、難于控制、 需要飛行員很大的工作量， 僅僅在順風(fēng)的情況下才能向前飛行，最終在 1924 年，美國軍隊取消了該四旋翼飛行器的研制。這一

5、階段設(shè)計出了載人四旋翼飛機，這是第一批成功的可垂直起降的飛行器。然而，早起原型機表現(xiàn)欠佳，后來穩(wěn)定性較差，實用性和操控性低，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，四旋翼飛行器的動力能源采用電能，逐漸被各國所接受，主要是無人機，廣泛應(yīng)用于軍事、商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域。無人機主要包括兩大類： 固定翼無人機和旋翼無人機。 旋翼無人機在許多方面要優(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特飛行性能的無人機， 正越來越受到人們的重視， 迅速成為國際上新的研究熱點。由于市場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

6、過高， 搭載拍攝裝置單一， 本設(shè)計主要對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)定可靠性強等特點。二、設(shè)計要求與設(shè)計思想2.1 設(shè)計要求1. 飛行器采用四個旋翼作為飛行的直接動力源；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)計要美觀、輕便。2.2 設(shè)計思想四旋翼飛行器采用四個旋翼作為飛行的直接動力源， 旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向， 四個旋翼處于同一高度平面， 且四個旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑

7、都。3歡迎3下載精品文檔相同，旋翼 1 和旋翼 3 順時針旋轉(zhuǎn)，旋翼2 和旋翼 4 逆時針旋轉(zhuǎn)，以保證飛行平穩(wěn)，四個電機對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 。從以下幾點出發(fā)：1 ）飛行器中心架的設(shè)計，要保證強度要求及整體結(jié)構(gòu)（碳纖維桿安裝、調(diào)控板安裝、電池安裝、起落架安裝）的同時越輕越好。2 ）飛行器啟動設(shè)計。電機最大工作電流和電池最大供電電流相匹配，飛機起飛重量與電機拉力相匹配， 且保證電機最大功率時的輸出電流 電調(diào)最大電流 71.397N, 因此起落架滿足強度要求。圖4 起落架4.2 螺栓校核計算：為保證電機的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，螺栓的連接強度要滿足抗剪強度與抗壓強

8、度。10R為扭矩 =R為力矩d 2m/ 4d 為螺栓直徑由 公 式 得 出 抗 剪 強 度 =4.35MPa 查 表 螺 栓 的 p 為 284MPa 得 出R為扭矩 =R為力矩P 滿足強度要求。m d2/ 4d為螺栓直徑連接件孔壁與螺栓光桿的抗壓強度：。9歡迎9下載精品文檔R 為接觸厚度p=d d為螺栓直徑由公式得出抗壓強度p 為 6.148MPa 查表螺栓的PP 為 284MPa 得出p =R為接觸厚度PP 滿足強度要求。d為螺栓直徑d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

9、慮成型性能與物理性能，下面為三種材料性能的對比7 ：塑料種類成型性能物理性能ABS成型性能中等、收縮率小、冷沖擊強度高、 機械加工性能中卻速度快、流動性能好等、化學(xué)穩(wěn)定性PP能行性能較好、耐熱性差、易耐老化、耐沖擊、電絕緣性能變性、相比最輕好、易燃韌性差PLA成型性能中等、較輕不易變沖擊強度高、穩(wěn)定性好、機械形、冷卻速度快、收縮率小加工較好、韌性好、易降解根據(jù)三種材料的對比， PLA塑料在成型方面與后期機械加工和穩(wěn)定性方面都比較好，而且PLA 塑料易于降解不會造成污染，因此本次設(shè)計的零件的材料以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

10、塑料為主采用 3D 打印機加工， PLA 塑料抗沖擊性、耐熱性、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，但是由于PLA塑料的拉伸率較差，因此設(shè)計時要考慮厚度，加工肋板以保證強度耐沖擊。10歡10迎下載精品文檔加工過程中要考慮3D 打印機的行程，不能超過其打印行程；加工過程中對于零件的圓角與凸臺要進(jìn)行構(gòu)造輔助支撐絲保證加工的質(zhì)量防止變形；加工過程中要根據(jù)零件強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度要求滿足設(shè)計要求。六、總結(jié)與展望本文以四旋翼飛行器為研究對象，主要研究了飛行器的主體結(jié)構(gòu)、飛行動力轉(zhuǎn)換與各部件的強度要求， 以滿足飛行器在航拍過程

11、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)計并搭建了四旋翼飛行器的硬件系統(tǒng)，建立了飛行器的相關(guān)數(shù)字模型。 針對自行設(shè)計的四旋翼飛行器進(jìn)行了動力學(xué)分析、 能耗分析、嘗試多軸多機翼模型的搭建，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方面：1 ）無 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)

12、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。11歡11迎下載精品文檔七、參考文獻(xiàn)1 同濟大學(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 . 機械制圖 . 第五版 M. 北京：高等教育出社， 1993.3 梁正強 . 機械零件設(shè)計計算實例 M. 北京：中國鐵道出版社出版， 1989.4 劉曹茹，吳志軍，高政一，等 . 機械制圖 M. 北京：高等教育出版社 ,2000.5 劉品 . 機械精度設(shè)計與檢測基礎(chǔ) M. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 2009.6 羅圣國，龔溎義 . 機械設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書 M. 北京：高等教育出版社， 1990.7 席慧智，谷萬里，高玉芳 . 機械工