旋翼飛行器說明書要點

1、四旋翼飛行器設計說明書指導教師：第一組:CNC13-1 班2013年12月四旋翼飛行器目錄一、緒論 21.1引言 21.2四旋翼飛行器的國內外研究現(xiàn)狀 2二、設計要求與設計思想 32.1設計要求 32.2設計思想 3三、方案結構設計 43.1多軸轉化方面 43.2 動力學分析 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： 84.2 螺栓校核計算： 9五、材料選取及工工藝 95.1材料選取 105.2加工工藝： 10六、總結與展望 11七、參考文獻 1214一、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控制的飛行物，稱為飛 行器。在大氣層內飛行的飛行器稱為

2、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生的空氣動力升空飛行。飛行器不僅廣泛應用于軍事，在民用領域的作用也在增加。機載GPS和MEM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，因此國內外對此進行了大量研究。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 結構緊湊。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，便于偽裝，對敵進行突 襲和偵察。四旋翼飛行器能夠自由懸停和垂直起降，結構簡單，易于控制

3、，這些優(yōu)勢決定了其具有廣泛的應用領域，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較 為成熟。1.2四旋翼飛行器的國內外研究現(xiàn)狀四旋翼飛行器的設計有兩個階段，在第一個階段即20世紀初，法國科學家和 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)了他的一個學生Louis Breguet，1906年下半年在Richet教授的指導下做 完了他們自行設計的直升機實驗。1907年，Breguet兄弟制作了他們第一個載人

4、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20年代初，George de Bothezat為美國陸軍航空勤務部制作一個實 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 非常復雜、難于控制、需要飛行員很大的工作量，僅僅在順風的情況下才能向前 飛行，最終在1924年，美國軍隊取消了該四旋翼飛行器的研制。這一階段設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)

5、展幾乎停滯。第二階段即從21世紀初開始到現(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，廣泛應用于軍事、商業(yè)和工業(yè)領域。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、室內應用等。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， 且制造成本過高，搭 載拍攝裝置單一，本設計主要對四旋翼飛行器的整體結構格局方面， 成本管控方 面以及靈活轉換拍攝裝置方面進行探索，使本四旋翼飛行器具有低成本、

6、大眾化、 穩(wěn)定可靠性強等特點。二、設計要求與設計思想2.1設計要求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. 能夠以各種角度進行飛行與拍攝；5. 飛控板、電池、電調和馬達的配合合理；6. 整體設計要美觀、輕便。2.2設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，且四個旋翼的結構和半徑都 相同，旋翼1和旋翼3順時針旋轉，旋翼2和旋翼4逆時針旋轉，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 外部設備。從以

7、下幾點出發(fā)：1 ）飛行器中心架的設計，要保證強度要求及整體結構（碳纖維桿安裝、調 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 電調最大電流 電池最大電流。3 ）飛行器的能量轉換方式。綜合考慮到能量轉換與飛行動力的相對關系， 并盡可能的加大能量的利用率。4 ）飛行器的起落架設計。起落架盡量簡潔、輕便、緩沖保護作用且材料韌 性較好。5 ）飛行器的外觀設計。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。 在實現(xiàn)飛行器能夠實

8、現(xiàn)基本運行的情況下，充分考慮選材 成本和加工成本的取舍。圍繞這個中心，我們展開了一系列的分析與設想，經過反復討論，最終確 定了我們的設計思路。三、方案結構設計由于四旋翼飛行器飛行時要克服空氣阻力與自身重力的同時保證平穩(wěn)飛行 和各個角度拍攝，主要考慮：多軸轉化方面、動力學分析、能耗分析三方面來設 計。3.1多軸轉化方面方案一、采用中心架中心距的變化調整軸數(shù)量的改變（如圖1）：優(yōu)點：1.能夠以最小的中心架安裝最多的軸；2. 能夠調整軸的角度更輕易的變換軸的數(shù)量以及角度;3. 中心架質量更輕且節(jié)省成本。缺點：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（

9、中心板設計） 方案二、采用多分支長短結合調整軸數(shù)量（如圖2）：優(yōu)點：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（中心板設計）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換 的問題。另一方面，避免了方案一中多軸占用其他裝置空間的問題，以及緊固強度不夠的問題。3.2動力學分析飛行器運動過程中要保證機翼產生的升力大于飛行器的飛行重量，根據(jù)電機旋轉產生升力帶動機身向上運動，有以下公式進行電機拉力計算：T扭=9549* P/ nP=I 2R=85Wn=2200* 10V=22000r/minF 拉=丁扭 / r=4.099N式中：T扭為電機扭矩，Nm P為電機

10、功率，W n為電機轉速，r/min ； F拉 為電機拉力,N; r為電機中心距，mn; I為電機電流，A; R為電機電阻，Q。由此得出一個電機產生的拉力為 4.099N,四個電機產生拉力為16.396N;由 于四個機翼共同作用相互產生影響則真實產生拉力為和拉力的 0.7倍，因此共產 生拉力為11.4772N。機翼升力的計算：通過將機翼分割成無數(shù)個小槳葉，每個小槳葉為一個葉素（如圖3），通過計算每個葉素的升力推出機翼的升力，葉素距旋轉中心的距離為r，延展向的尺寸為dr，槳葉當?shù)叵议L為c,該葉素所產生的升力增量為:T 1 2 2、L p Qr GCdr2由此可計算出整個槳葉上的升力為R 12L =

11、 0 2卩 Qr C1CdrViQrabc16rHl1式中：Ci為升力系數(shù)、a為當?shù)匮鼋?、a為升力線斜率圖3葉素的幾何形狀由于機翼平面誘導速度Vi的存在，使得葉素處的有效速度和氣流速度之間存 在一個下洗角£,當?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 B和下洗角&來確定，如圖（葉素的幾何形狀）所示：a = 0 - £下洗角由相互垂直的氣流速度 Q r和誘導速度Vi所定義，即£ 二arcta門也Qr其中Q r與Vi之比可通過下式來確定：Qr 16兀rV abc由空氣動力學翼型理論知，機翼在失速之前，其升力系數(shù)Ci與仰角a之間的關系 與雷諾數(shù)Re基

12、本無關，即升力線斜率a與Re無關。這樣，在機翼失速之前，可 以用常規(guī)空氣動力學理論確定的升力線斜率來求升力系數(shù)Ci,并根據(jù)公式計算機翼上的升力。（低馬赫數(shù)常規(guī)葉型的升力線斜率近似等于每度 O.i ） 飛行器的起飛重量=飛機的重量+飛機質量*加速度iiG總=G飛+m飛*a_f 空=1/2V2CdAp"a=T推-f摩/ Gf摩=f靜+f空社靜=kG丿式中：G總為飛機的起飛重量，N; G飛為飛機的重量，N; m飛為飛機的質量，Kg； a為飛行器的起飛加速度，m/s2 ; T推為電機拉力，N; f摩為飛行器起飛時摩擦力， N; f靜為飛行器起飛時的靜摩擦力，N; f空為飛行器起飛時的空氣摩擦

13、力，N; V 為空氣的流速，m/s； Ap為空氣的雷諾數(shù)，Cd為升力系數(shù)，K為靜摩擦系數(shù)，G 為飛機的重量，No計算得出 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小于機翼升力10N,有公式G總=6飛+m飛*8可得出電機可帶動最 大重量為1164g的飛行器起飛，由于電機功率以額定功率計算，根據(jù)經驗只能達 到0.7的效率，因此能帶動814.8g的飛行器。3.3能耗分析為保證電池供給能量轉化為機翼旋轉的升力足以帶動機體運動，電調與電機的選擇以滿足整體結構的前提下，最小能耗為優(yōu)。查閱相關資料 11，電池輸出電量通過電調、導

14、線能量耗損為:P線損=1 RP輸=u輸IP輸_1P輸P損nP_81*I2R/ n*m0為單個FET內阻'n為占空比m為FET數(shù)量（P為電調耗損公式中：P線損為導線損失功率，W I為導線通過的電流，a； R為導線電阻，Q; p輸為電池輸出功率，W U輸電池輸出電壓，V。計算出導線損耗為2.502W,電調損耗為3W電機的損耗產生在熱能與聲能兩方面具體損耗為：由電機拖動原理電機內阻為 0.52歐姆，則通過電機定子的電流為10/0.52=19.23 安培，產生的熱能為192.3焦耳。四、典型零件強度校核4.1起落架校核計算:飛行器降落時起落架要保證飛行器平穩(wěn)著地，吸收撞擊產生的能量保護飛行 器

15、各部件，當起落架一端著地時對起落架的沖擊力最大 （起落架如圖4），現(xiàn)以起 落架一端著地時計算產生的沖擊力，查閱相關資料5得知：3變形二P Ebh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 落架長度，mm E為材料彈性模量，MPa計算得知需要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：F二mv, L式中：F為沖擊力，N; m為飛行器質量，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，由使起落架產生變形的沖擊力127.29N>71.397N,因此起落架滿足強度要求。4.2螺栓校核計算:為保證

16、電機的穩(wěn)定旋轉，螺栓的連接強度要滿足抗剪強度與抗壓強度。 電機旋轉對螺栓產生的抗剪強度10:n為扭矩R為力矩 衛(wèi)為螺栓直徑 Rn _m：d2 /4由公式得出抗剪強度t =4.35MPa查表螺栓的t p為284MPa得出 n為扭矩R為力矩n P滿足強度要求。衛(wèi)為螺栓直徑連接件孔壁與螺栓光桿的抗壓強度:R 為接觸厚度' dd為螺栓直徑丿由公式得出抗壓強度 Cp為6.148MPa查表螺栓的 ZPP為284MPa得出旦S為接觸厚度 dS d為螺栓直徑< Zpp滿足強度要求五、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打印機加工，為保證加工零件尺寸穩(wěn)定、表面光澤好、易于

17、進一步加工，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比：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、流動性能好沖擊強度咼、機械加工性能中等、化學穩(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、收縮率小沖擊強度咼、穩(wěn)定性好、機械加工較好、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

18、拍裝置為主，材料主要以PLA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，因此設計時要考慮厚度，加工肋板以保證強度耐沖擊。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行構造輔助支撐絲保證加工的質量防止變形；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 滿足設計要求。六、總結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構、飛行動 力轉換與各部件的強度要求，以滿足飛行器在航拍過程中的各種要求， 達到良好 的航拍效果。本文的研究工作主要設計并搭建了四旋翼飛行器的硬件系統(tǒng)，建立了飛行 器的相關數(shù)字模型。針對自行設計的四旋翼飛行器進行了動力學分析、能耗分析、 嘗試多軸多機翼模型的搭建，能夠實現(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領域的一個基礎性探索研究，由于本人是首 次接觸四旋翼飛行器，在前期的積累為零，雖在導師的指導下克服