【多旋翼無人機的組裝與調(diào)試5600字（論文）】

多旋翼無人機的組裝與調(diào)試目錄TOC\o"1-3"\h\u212071引言 引言伴隨著國內(nèi)市場經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，各行業(yè)都呈現(xiàn)出前所未有的蓬勃生長景象。其中的無人機也已經(jīng)迎來了技術(shù)發(fā)展的春天，無人機就是一種利用手機進行無線電遙控器設(shè)備和手機自備的應(yīng)用程序控制器而產(chǎn)生的不載人飛機，無人機能夠在無人駕駛條件下實現(xiàn)復(fù)雜的空中飛行和負載任務(wù)。在這么多無人機的種類里面，最為具有代表性的應(yīng)該就是一架四旋翼式的無人機了，這種類型的無人機最大不同之處就是它能夠在飛機的起航和著陸時都是垂直地進行，人們在選擇使用它時很簡單，便于操縱員對其進行監(jiān)視和偵查，無人機也能夠?qū)⒆约旱娘w向距離到一個目標較近的地方等等。2無人機方案總體設(shè)計2.1當(dāng)前主流無人機類型分析目前市場上主要生產(chǎn)的存在幾種類型的無人機，按照其基本功能進行劃分主要有以下幾種包括：航拍類，植保型無人機類，氣象型無人機類，監(jiān)控型無人機類，測繪型無人機，按規(guī)格和大小進行劃分：微型無人機(0kg-7kg)，輕型無人機(7kg-116kg)，中性(116kg-5776kg)，大型無人機(5776Kg)。本設(shè)計主要針對微型和輕型無人機設(shè)計，進行改進，防止無人機撞擊后造成財產(chǎn)損失。2.2機械結(jié)構(gòu)設(shè)計需求針對無人機防撞需求，本次設(shè)計主要提供兩種解決渠道，一是在旋翼周圍加裝一種防撞隔離保護罩；二是在無人機底部加裝激光模塊。參考有該需求的無人機，主要是微輕型，故將本方案的無人機大小尺寸設(shè)為750mm*750mm*220mm左右，1）保護罩設(shè)計：根據(jù)無人機旋翼的大小，設(shè)計保護罩的大小尺寸；2）激光模塊的設(shè)計：在保證低成本的同時，實現(xiàn)更好的高度預(yù)警；2.3系統(tǒng)設(shè)計的總體要求1）飛控數(shù)據(jù)傳輸至控制端的功能：能夠即使方便地讓操縱手了解無人機姿態(tài)，方位，速度等；2）圖像、視頻采集功能：將無人機所處周圍環(huán)境準確記錄，方便以后分析；3)高度檢測功能：根據(jù)當(dāng)初設(shè)定閾值，當(dāng)達到高度閾值時，發(fā)出報警信號，以提醒操作人員；2.4技術(shù)指標按照前期提出的方案設(shè)計需要，提出以下設(shè)計指標1)數(shù)據(jù)通信周期：20±5ms；2)數(shù)據(jù)傳輸距離：3000米以內(nèi)；3）保護罩強度：34mps4)高度傳感器：高度范圍在0-100m2.5方案總體設(shè)計四旋翼無人機的四只機翼被放置在機身兩邊，左右各二，大小形狀都一模一樣。他們是在同一水平線和高度線上，無人機由機體、控制模塊和電源動力設(shè)備這三個部分組成，三個部分彼此相互配合又互寸在各自不同的功能區(qū)別。無人機的整個體也就是它的整個機架，電源動力設(shè)備主要指的是一個電源，電動機以及四個螺旋翼的設(shè)備，電源可以為一臺電機運行和服務(wù)提供穩(wěn)定的能量，電機可以為一個旋翼運行服務(wù)，這樣一臺無人機就可以正常地飛行；所謂的自動化控制設(shè)備指的是對無人機進行自動化控制的系統(tǒng)，主要用于傳輸指令。正常的設(shè)計當(dāng)中，應(yīng)該是把一架無人機的四個旋翼安置在一個平面上，這樣可以確保整個無人機的上部的重量是四面均勻受力。這些設(shè)備主要功能是能夠提供電源、傳輸數(shù)據(jù)和控制無人機等。其中針對本方案中的無人機保護罩的改造，它主要用于隔離旋翼，防止其與周圍碰撞，如圖1所示。圖1四旋翼無人機的構(gòu)造2.6自平衡原理分析四旋翼的無人機，本身就存在極其微妙的平衡關(guān)系，四根長度相同的軸線使之位于同一圓環(huán)四點，并且能夠保持重心的位置?？傊?，四旋翼無人機之所以能夠?qū)崿F(xiàn)了平移、繞垂、旋轉(zhuǎn)、俯仰、翻滾、上下升降等六個運動，全部仰賴與自身的平衡性。這個時候，一旦平衡被打破，例如，主旋翼失調(diào)，即會造成無人機偏離航道水平線的情況，又由于四個旋翼無法唉同一個水平面發(fā)生牽引運動，則會進一步導(dǎo)致無人機出現(xiàn)嚴重傾斜。此外，相鄰兩個旋轉(zhuǎn)機翼的旋轉(zhuǎn)是相反的，也就是說，四個機翼分別是順時針、逆時針、順時針、逆時針這樣的順序擺放。彼此相鄰的兩個之間永遠不是一樣的方向，整個機身是依靠機翼來完成上升。通過這種方式，來達到理想的飛行狀態(tài)并且保持自平衡。當(dāng)升力等于重力時則處于懸空停止狀態(tài)。當(dāng)向上的力增加時，則處于機身的上升狀態(tài)，當(dāng)向下的力增加時，則處于機身的下降的狀態(tài)。3防撞裝置設(shè)計3.1各個關(guān)鍵部件設(shè)計3.1.1電動機選型如今，小型無人機的動力組件主要是發(fā)動機和內(nèi)燃機。通過驅(qū)動帶動螺旋槳和渦輪發(fā)動機的運轉(zhuǎn)。盡管內(nèi)燃機的效率高，輸出功率也相對較大，如果單就效率而言其實最好的選擇，但是它也有一個非常致命的缺點，調(diào)整速度是極其不方便的，因此，電力不高，續(xù)航能力不強的電動機反而成為首選。因為考慮到無人機飛行時間相對較短，所以電動機仍然成為了最佳的選擇方案。驅(qū)動電機作為無人機最重要的設(shè)備部件之一。在很大程度上控制了無人機的飛行高度和各項參數(shù)指標，因此對電機的選擇要慎重謹慎。確定無人機的各項基本性能指標后，電動機參數(shù)基本能夠確定，以便無人機能夠順利執(zhí)行低空飛行的任務(wù)。因此這個時候就要保證，電動機能夠維持的飛行時間盡量的長，但又要地方電動機額定功率太大造成的欠載狀態(tài)會大大降低無人機的效率，還會增加起飛時無人機的重量。另一方面，如果電動機的額定功率太小，電機過載。續(xù)航能力太低又會影響整個無人機的使用，所以根據(jù)以上的闡述，需要注意一下幾點。首先是，在權(quán)衡無人機發(fā)動機相關(guān)參數(shù)的時候，需要考慮到發(fā)動機的重量。通過閱讀相關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，無人機起飛升力與功率成正比。通過這種方式，因此，必須選擇大功率的發(fā)動機，得到巡航時間的保證并完美配合螺旋槳。3.1.2防撞保護罩設(shè)計本設(shè)計方案中的防撞保護罩主要用于保護無人機的旋翼，因為無人機的主要動力來源于旋翼，在無人機工作狀態(tài)中，旋翼一直處于高速自轉(zhuǎn)的狀態(tài)，容易對周圍物體形成較大安全威脅，同時也損傷旋翼，因此需要一個保護罩將旋翼與周圍環(huán)境相隔離。保護罩大體如圖2所示。圖2護罩大體詳細尺寸如圖3所示，外輪廓為半徑為142.5mm，總體長度為239.2mm，高度為34.6mm圖3詳細尺寸由于考慮到該保護罩應(yīng)時刻保護無人機旋翼，為了省去反復(fù)拆卸與裝配的麻煩，因此將保護罩與無人機橫梁一體設(shè)計生產(chǎn)，其與無人機橫梁位置關(guān)系如圖4所示。圖4無人機橫梁位置關(guān)系圖3.1.3防撞保護罩設(shè)計應(yīng)用范圍因為本設(shè)計方案中的無人機除了采用激光模塊來保障安全外，還在無人機旋翼周圍加裝了保護罩來保障飛行安全，由此還需要對該保護罩進行受力分析和強力校核，以此明確該無人機的使用范圍和注意事項，圖5為保護罩受力概念。圖5保護罩受力概念（局部）如圖6所示，該無人機的保護罩主要保護無人機旋翼來自四個方向的撞擊，它所受到的沖擊力主要來源于當(dāng)無人機向前運動時對周圍物體所產(chǎn)生的沖擊力對應(yīng)的反作用力，因此分析無人機收到的撞擊力，先要分析無人機的最大運動速度，質(zhì)量等方面參數(shù)。圖6護罩受力概念圖由于本方案主要針對微型無人機，故假定其質(zhì)量為0.6公斤，同類型無人機最大飛行時速為15m/s，它在受到撞擊后時速瞬間將為0m/s，假設(shè)緩沖距離僅有0.1m，假設(shè)保護罩與接觸物的碰撞面積為2平方厘米。則參考物理運動學(xué)關(guān)于加速度公式式（3.1）這之中=末速度=初速度=緩沖距離再參考牛頓第二定律F=ma式（3.2）F=所承受的撞擊力則參考壓力公式式（3.3)由公式可知瞬時壓強達到了3375000帕，約為3.4MPa，由于我們選用的是碳纖維材料，碳素纖維樹脂復(fù)合材料的強度一般情況之下都能超過3500兆帕，這樣的直觀的概念相當(dāng)于是鋼的7-9倍。完全可以承受沖擊，保證旋翼的完好3.1.4旋翼設(shè)計對于無人機來說，旋翼是無人機的空氣動力來源，四組旋翼高速自轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個向下的推力，從而讓空氣對無人機產(chǎn)生一個反作用力，托舉無人機，保障無人機完成飛行任務(wù)，旋翼的直徑越長，在相同電機相同轉(zhuǎn)速下其拉力越大，直徑越小拉力越小。常見的有兩葉，三葉和四葉。在其他各項技術(shù)指標相同的情況下，葉片越多其拉力越大，但是其轉(zhuǎn)動慣量與空氣阻力也就越大。電機使三葉槳達到與二葉槳相同轉(zhuǎn)速時，需要的電流就更大，而當(dāng)電流增加到十幾安培乃至幾十安培時，電機的內(nèi)阻就會消耗掉一定的功率產(chǎn)生熱量，而電機對槳產(chǎn)生的動能相對減小了一部分。使用多葉槳達到與兩葉槳相同轉(zhuǎn)速需要消耗的功率就更大。因此，通常的情況下，三葉槳和四葉螺旋槳的工作效率不如二葉螺旋槳的工作效率。所以對于多旋翼無人機我們使用二葉槳。如圖7所示。圖7二葉槳其詳細尺寸如8所示，長260mm，單個葉片長122.5mm，中心軸直徑為9mm。圖8詳細尺寸3.2機架設(shè)計3.2.1設(shè)計原則在進行最后機架設(shè)計時，需要遵循設(shè)計原則，從實際情況出發(fā)，考慮一下幾個方面：材料，在保證成本低廉的情況之下保證材料一直要輕巧穩(wěn)固并且堅固，一定要在輕巧、堅固兩者之間綜合考量，否則要么太重造成過載，要么過脆造成質(zhì)量問題。結(jié)構(gòu)合理，容易后期的拓展和下一步的裝置，否則不易于制造和組裝；牢記過程，保證機架本身的可拆卸性，能夠比較快捷的進行維修，調(diào)理和更換，便于安裝和拆卸零部件；抗震性，不能再運行過程中經(jīng)過外部干擾因素或者運行時的顛簸和震動就導(dǎo)致整個無人機的癱瘓和宕機；易于維護和保養(yǎng)，機架要能夠具有一定的抗腐蝕性，可以保證使用的時間能夠盡量長一點，延長使用壽命，盡可能多的節(jié)省使用成本。3.2.2材料選擇在整理歸納多方的資料和數(shù)據(jù)，進行最終次論證和權(quán)衡之后，最終決定將四旋翼無人機的框架材料選擇碳纖維。這種材料的含碳量高達95%。具有極高的韌性，可以保證不會輕易損壞導(dǎo)致無人機無法使用，而且其材質(zhì)也十分輕便，強度甚于鋼鐵。尤其明顯的是其耐腐蝕、模量高的特點。足以使之廣泛應(yīng)用于社會各個層面，如公共安全的探測、軍事工業(yè)等各個不同領(lǐng)域。從微觀角度來看，碳纖維其實與傳統(tǒng)的人工石墨極為相似，其結(jié)構(gòu)無序且有雜質(zhì)層。每一層之間的中心點距離大約為3.39a至3.42a，都是以碳原子相隔。而且還存在原子之間互相排列不規(guī)則的情況。每一層跟各層之間相互連接的同時所需要依靠的就是范德華力一般而言，我們可以把碳纖維相互地比作就是由各種排列有序的結(jié)晶物和孔道所構(gòu)成。碳纖維包含了所有碳性原料的特點，而碳素纖維樹脂復(fù)合材料則是包含了炭纖維的一切特點并且還有優(yōu)化和提升。碳素纖維樹脂復(fù)合材料的強度一般情況之下都能超過3500兆帕，這樣的直觀的概念相當(dāng)于是鋼的7-9倍。除此之外，碳素纖維樹脂復(fù)合材料的比模量也要遠遠高于普通的鋼鐵材料。與原來的玻璃纖維相比，這種新型纖維材料的密度已經(jīng)超過了兩倍于楊氏模量，而且耐腐蝕極強，可以很好的保證其質(zhì)量?？梢酝ㄟ^孔隙率的變化和強度反映出，其模量和強度已明顯呈現(xiàn)反比例變化。層與層之間的剪切強度均會受到影響，彎曲強度與彎曲模量亦均會因為受到了不同程度的影響而導(dǎo)致改變。拉伸的強度隨著孔隙率的大小發(fā)生變化，它們也是按相反方向發(fā)生變化，拉伸模量幾乎沒有那么多地受到孔隙率大小的影響。這種新材料的纖度也是十分可觀，通過研究發(fā)行，在一般情況下為19克，但拉力異常強大，甚至可以達到每微米300kg。就拉力的強度而言，目前現(xiàn)階段極少有無知能夠強于碳纖維。如果處于沒有空氣的真空裝填，碳纖維依然可以憑借自身優(yōu)良的承受力耐受高于3，000度的溫度。并且形成維度與強度成正比的趨勢，溫度越高，碳纖維越強。然而，遺憾的是，這種材料的強度不盡相同，并且徑向強度明顯小于軸向強度，因此最好不要使用徑向的強力，以免造成不必要的浪費。除了高耐溫性之外，碳纖維還具有耐低溫。當(dāng)溫度很低時，它不會脆化而導(dǎo)致?lián)p壞。在化學(xué)性質(zhì)層面來看，碳纖維的類似于碳。只有足夠濃度的強化劑才能致使其氧化。如果在溫度處于400攝氏度的條件之下，也可能會使空氣中出現(xiàn)氧化，這個時候就會產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳。此外，處于化學(xué)層面，碳纖維的耐蝕性依然是其中的佼佼者，在大自然中技術(shù)是不可能生銹。30年前就有人員做過一個至今為止扔在繼續(xù)的漫長實驗。1980年的一個周末時候，一群美國研究者把一些碳纖維材料放置在強烈的堿比如氫氧化鈉的氨水溶液里面中并進行高溫浸泡。三十多年后的今天，它仍然保持原本的原始狀態(tài)。當(dāng)然，這種鋁合金材料也是并非堅如金銀，其實它本身所能承受的外力是很小的，非常容易被它們所破壞，在強酸的影響下，會出現(xiàn)一種被氧化的現(xiàn)象，因為這種碳纖維它的電動勢確實是正值，不過這種鋁合金的電動勢確實是一個被稱為負值，所以它是在強酸的影響下才會發(fā)生被氧化。當(dāng)我們碰到了碳纖維及鋁合金、鋼鐵、金屬時就會出現(xiàn)有對話、滲碳及其他電化學(xué)性質(zhì)的腐蝕。當(dāng)使用這些材料，我們必須先做一些表面的處理來維護無人機后期的狀態(tài)。3.2.3機架結(jié)構(gòu)設(shè)計機架始終是無人機最重要的組成部分，對于整個機架而言，其最主要的功能除了美觀之外，更重要的是其實用性，也就是其對各個部位的連接和支撐。雖然市面上有多種材料可以拿來參考和選擇。但機架對材料的要求必須過硬，這是無人機的中樞，全靠它支撐著，因此，能夠充分減輕機身重量的時候還要保證硬度必須高，強度必須高，密度必須小。一般有金屬、塑料、碳纖維等。根據(jù)飛行方式，一般分為“X”字形或者“十”字形兩種形式。本設(shè)計采用以碳纖維為原