【多旋翼無人機(jī)的組裝與調(diào)試5600字（論文）】

多旋翼無人機(jī)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(jì)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(jī)也已經(jīng)迎來了技術(shù)發(fā)展的春天，無人機(jī)就是一種利用手機(jī)進(jìn)行無線電遙控器設(shè)備和手機(jī)自備的應(yīng)用程序控制器而產(chǎn)生的不載人飛機(jī)，無人機(jī)能夠在無人駕駛條件下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的空中飛行和負(fù)載任務(wù)。在這么多無人機(jī)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(jī)了，這種類型的無人機(jī)最大不同之處就是它能夠在飛機(jī)的起航和著陸時(shí)都是垂直地進(jìn)行，人們在選擇使用它時(shí)很簡單，便于操縱員對其進(jìn)行監(jiān)視和偵查，無人機(jī)也能夠?qū)⒆约旱娘w向距離到一個(gè)目標(biāo)較近的地方等等。2無人機(jī)方案總體設(shè)計(jì)2.1當(dāng)前主流無人機(jī)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(jī)，按照其基本功能進(jìn)行劃分主要有以下幾種包括：航拍類，植保型無人機(jī)類，氣象型無人機(jī)類，監(jiān)控型無人機(jī)類，測繪型無人機(jī)，按規(guī)格和大小進(jìn)行劃分：微型無人機(jī)(0kg-7kg)，輕型無人機(jī)(7kg-116kg)，中性(116kg-5776kg)，大型無人機(jī)(5776Kg)。本設(shè)計(jì)主要針對微型和輕型無人機(jī)設(shè)計(jì)，進(jìn)行改進(jìn)，防止無人機(jī)撞擊后造成財(cái)產(chǎn)損失。2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求針對無人機(jī)防撞需求，本次設(shè)計(jì)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(hù)罩；二是在無人機(jī)底部加裝激光模塊。參考有該需求的無人機(jī)，主要是微輕型，故將本方案的無人機(jī)大小尺寸設(shè)為750mm*750mm*220mm左右，1）保護(hù)罩設(shè)計(jì)：根據(jù)無人機(jī)旋翼的大小，設(shè)計(jì)保護(hù)罩的大小尺寸；2）激光模塊的設(shè)計(jì)：在保證低成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更好的高度預(yù)警；2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體要求1）飛控?cái)?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(jī)姿態(tài)，方位，速度等；2）圖像、視頻采集功能：將無人機(jī)所處周圍環(huán)境準(zhǔn)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(dá)到高度閾值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號，以提醒操作人員；2.4技術(shù)指標(biāo)按照前期提出的方案設(shè)計(jì)需要，提出以下設(shè)計(jì)指標(biāo)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(hù)罩強(qiáng)度：34mps4)高度傳感器：高度范圍在0-100m2.5方案總體設(shè)計(jì)四旋翼無人機(jī)的四只機(jī)翼被放置在機(jī)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(jī)由機(jī)體、控制模塊和電源動(dòng)力設(shè)備這三個(gè)部分組成，三個(gè)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(jī)的整個(gè)體也就是它的整個(gè)機(jī)架，電源動(dòng)力設(shè)備主要指的是一個(gè)電源，電動(dòng)機(jī)以及四個(gè)螺旋翼的設(shè)備，電源可以為一臺電機(jī)運(yùn)行和服務(wù)提供穩(wěn)定的能量，電機(jī)可以為一個(gè)旋翼運(yùn)行服務(wù)，這樣一臺無人機(jī)就可以正常地飛行；所謂的自動(dòng)化控制設(shè)備指的是對無人機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化控制的系統(tǒng)，主要用于傳輸指令。正常的設(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)該是把一架無人機(jī)的四個(gè)旋翼安置在一個(gè)平面上，這樣可以確保整個(gè)無人機(jī)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(jī)等。其中針對本方案中的無人機(jī)保護(hù)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(jī)的構(gòu)造2.6自平衡原理分析四旋翼的無人機(jī)，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(diǎn)，并且能夠保持重心的位置?？傊?，四旋翼無人機(jī)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(gè)運(yùn)動(dòng)，全部仰賴與自身的平衡性。這個(gè)時(shí)候，一旦平衡被打破，例如，主旋翼失調(diào)，即會造成無人機(jī)偏離航道水平線的情況，又由于四個(gè)旋翼無法唉同一個(gè)水平面發(fā)生牽引運(yùn)動(dòng)，則會進(jìn)一步導(dǎo)致無人機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重傾斜。此外，相鄰兩個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)翼的旋轉(zhuǎn)是相反的，也就是說，四個(gè)機(jī)翼分別是順時(shí)針、逆時(shí)針、順時(shí)針、逆時(shí)針這樣的順序擺放。彼此相鄰的兩個(gè)之間永遠(yuǎn)不是一樣的方向，整個(gè)機(jī)身是依靠機(jī)翼來完成上升。通過這種方式，來達(dá)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(shí)則處于懸空停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)向上的力增加時(shí)，則處于機(jī)身的上升狀態(tài)，當(dāng)向下的力增加時(shí)，則處于機(jī)身的下降的狀態(tài)。3防撞裝置設(shè)計(jì)3.1各個(gè)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)3.1.1電動(dòng)機(jī)選型如今，小型無人機(jī)的動(dòng)力組件主要是發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)。通過驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)螺旋槳和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。盡管內(nèi)燃機(jī)的效率高，輸出功率也相對較大，如果單就效率而言其實(shí)最好的選擇，但是它也有一個(gè)非常致命的缺點(diǎn)，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(qiáng)的電動(dòng)機(jī)反而成為首選。因?yàn)榭紤]到無人機(jī)飛行時(shí)間相對較短，所以電動(dòng)機(jī)仍然成為了最佳的選擇方案。驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為無人機(jī)最重要的設(shè)備部件之一。在很大程度上控制了無人機(jī)的飛行高度和各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，因此對電機(jī)的選擇要慎重謹(jǐn)慎。確定無人機(jī)的各項(xiàng)基本性能指標(biāo)后，電動(dòng)機(jī)參數(shù)基本能夠確定，以便無人機(jī)能夠順利執(zhí)行低空飛行的任務(wù)。因此這個(gè)時(shí)候就要保證，電動(dòng)機(jī)能夠維持的飛行時(shí)間盡量的長，但又要地方電動(dòng)機(jī)額定功率太大造成的欠載狀態(tài)會大大降低無人機(jī)的效率，還會增加起飛時(shí)無人機(jī)的重量。另一方面，如果電動(dòng)機(jī)的額定功率太小，電機(jī)過載。續(xù)航能力太低又會影響整個(gè)無人機(jī)的使用，所以根據(jù)以上的闡述，需要注意一下幾點(diǎn)。首先是，在權(quán)衡無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)的時(shí)候，需要考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。通過閱讀相關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)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(dòng)機(jī)，得到巡航時(shí)間的保證并完美配合螺旋槳。3.1.2防撞保護(hù)罩設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)方案中的防撞保護(hù)罩主要用于保護(hù)無人機(jī)的旋翼，因?yàn)闊o人機(jī)的主要?jiǎng)恿碓从谛?，在無人機(jī)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(shí)也損傷旋翼，因此需要一個(gè)保護(hù)罩將旋翼與周圍環(huán)境相隔離。保護(hù)罩大體如圖2所示。圖2護(hù)罩大體詳細(xì)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(xì)尺寸由于考慮到該保護(hù)罩應(yīng)時(shí)刻保護(hù)無人機(jī)旋翼，為了省去反復(fù)拆卸與裝配的麻煩，因此將保護(hù)罩與無人機(jī)橫梁一體設(shè)計(jì)生產(chǎn)，其與無人機(jī)橫梁位置關(guān)系如圖4所示。圖4無人機(jī)橫梁位置關(guān)系圖3.1.3防撞保護(hù)罩設(shè)計(jì)應(yīng)用范圍因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)方案中的無人機(jī)除了采用激光模塊來保障安全外，還在無人機(jī)旋翼周圍加裝了保護(hù)罩來保障飛行安全，由此還需要對該保護(hù)罩進(jìn)行受力分析和強(qiáng)力校核，以此明確該無人機(jī)的使用范圍和注意事項(xiàng)，圖5為保護(hù)罩受力概念。圖5保護(hù)罩受力概念（局部）如圖6所示，該無人機(jī)的保護(hù)罩主要保護(hù)無人機(jī)旋翼來自四個(gè)方向的撞擊，它所受到的沖擊力主要來源于當(dāng)無人機(jī)向前運(yùn)動(dòng)時(shí)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(jī)收到的撞擊力，先要分析無人機(jī)的最大運(yùn)動(dòng)速度，質(zhì)量等方面參數(shù)。圖6護(hù)罩受力概念圖由于本方案主要針對微型無人機(jī)，故假定其質(zhì)量為0.6公斤，同類型無人機(jī)最大飛行時(shí)速為15m/s，它在受到撞擊后時(shí)速瞬間將為0m/s，假設(shè)緩沖距離僅有0.1m，假設(shè)保護(hù)罩與接觸物的碰撞面積為2平方厘米。則參考物理運(yùn)動(dòng)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(shí)壓強(qiáng)達(dá)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(qiáng)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(jì)對于無人機(jī)來說，旋翼是無人機(jī)的空氣動(dòng)力來源，四組旋翼高速自轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個(gè)向下的推力，從而讓空氣對無人機(jī)產(chǎn)生一個(gè)反作用力，托舉無人機(jī)，保障無人機(jī)完成飛行任務(wù)，旋翼的直徑越長，在相同電機(jī)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(xiàng)技術(shù)指標(biāo)相同的情況下，葉片越多其拉力越大，但是其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與空氣阻力也就越大。電機(jī)使三葉槳達(dá)到與二葉槳相同轉(zhuǎn)速時(shí)，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(shí)，電機(jī)的內(nèi)阻就會消耗掉一定的功率產(chǎn)生熱量，而電機(jī)對槳產(chǎn)生的動(dòng)能相對減小了一部分。使用多葉槳達(dá)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(jī)我們使用二葉槳。如圖7所示。圖7二葉槳其詳細(xì)尺寸如8所示，長260mm，單個(gè)葉片長122.5mm，中心軸直徑為9mm。圖8詳細(xì)尺寸3.2機(jī)架設(shè)計(jì)3.2.1設(shè)計(jì)原則在進(jìn)行最后機(jī)架設(shè)計(jì)時(shí)，需要遵循設(shè)計(jì)原則，從實(shí)際情況出發(fā)，考慮一下幾個(gè)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(jiān)固，一定要在輕巧、堅(jiān)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(jī)架本身的可拆卸性，能夠比較快捷的進(jìn)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(yùn)行過程中經(jīng)過外部干擾因素或者運(yùn)行時(shí)的顛簸和震動(dòng)就導(dǎo)致整個(gè)無人機(jī)的癱瘓和宕機(jī)；易于維護(hù)和保養(yǎng)，機(jī)架要能夠具有一定的抗腐蝕性，可以保證使用的時(shí)間能夠盡量長一點(diǎn)，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(jìn)行最終次論證和權(quán)衡之后，最終決定將四旋翼無人機(jī)的框架材料選擇碳纖維。這種材料的含碳量高達(dá)95%。具有極高的韌性，可以保證不會輕易損壞導(dǎo)致無人機(jī)無法使用，而且其材質(zhì)也十分輕便，強(qiáng)度甚于鋼鐵。尤其明顯的是其耐腐蝕、模量高的特點(diǎn)。足以使之廣泛應(yīng)用于社會各個(gè)層面，如公共安全的探測、軍事工業(yè)等各個(gè)不同領(lǐng)域。從微觀角度來看，碳纖維其實(shí)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)，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(diǎn)并且還有優(yōu)化和提升。碳素纖維樹脂復(fù)合材料的強(qiáng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(qiáng)，可以很好的保證其質(zhì)量?？梢酝ㄟ^孔隙率的變化和強(qiáng)度反映出，其模量和強(qiáng)度已明顯呈現(xiàn)反比例變化。層與層之間的剪切強(qiáng)度均會受到影響，彎曲強(qiáng)度與彎曲模量亦均會因?yàn)槭艿搅瞬煌潭鹊挠绊懚鴮?dǎo)致改變。拉伸的強(qiáng)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(qiáng)大，甚至可以達(dá)到每微米300kg。就拉力的強(qiáng)度而言，目前現(xiàn)階段極少有無知能夠強(qiáng)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(qiáng)度成正比的趨勢，溫度越高，碳纖維越強(qiáng)。然而，遺憾的是，這種材料的強(qiáng)度不盡相同，并且徑向強(qiáng)度明顯小于軸向強(qiáng)度，因此最好不要使用徑向的強(qiáng)力，以免造成不必要的浪費(fèi)。除了高耐溫性之外，碳纖維還具有耐低溫。當(dāng)溫度很低時(shí)，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(qiáng)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(gè)時(shí)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(gè)至今為止扔在繼續(xù)的漫長實(shí)驗(yàn)。1980年的一個(gè)周末時(shí)候，一群美國研究者把一些碳纖維材料放置在強(qiáng)烈的堿比如氫氧化鈉的氨水溶液里面中并進(jìn)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(jiān)如金銀，其實(shí)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(qiáng)酸的影響下，會出現(xiàn)一種被氧化的現(xiàn)象，因?yàn)檫@種碳纖維它的電動(dòng)勢確實(shí)是正值，不過這種鋁合金的電動(dòng)勢確實(shí)是一個(gè)被稱為負(fù)值，所以它是在強(qiáng)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(shí)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(hù)無人機(jī)后期的狀態(tài)。3.2.3機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)架始終是無人機(jī)最重要的組成部分，對于整個(gè)機(jī)架而言，其最主要的功能除了美觀之外，更重要的是其實(shí)用性，也就是其對各個(gè)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(jī)架對材料的要求必須過硬，這是無人機(jī)的中樞，全靠它支撐著，因此，能夠充分減輕機(jī)身重量的時(shí)候還要保證硬度必須高，強(qiáng)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(jì)采用以碳纖維為原