1、四旋翼飞行器四旋翼飞行器 指导教师：指导教师：组员：组员：任务要求与资源采集任务要求与资源采集材料的选取与参数的匹配材料的选取与参数的匹配方案结构设计方案结构设计飞行器特点飞行器特点总总 章章优化与展望优化与展望任务要求1、中心架设计要可以3、4、6、12轴通用；2、整体设计要考虑飞控板、电调和电池的固定问题；3、中心架及中心架配套压板重量要越轻越好；4、电机座设计要考虑机架、起落架的设计及整体走线设计；5、整体设计要美观、轻便、注意成本的管控。资源采集 任何由人类制造、能飞离地面、在空间飞行并由人来控制的飞行物，称为飞行器。四旋翼飞行器作为多旋翼飞行器的一种，能够自由悬停和垂直起降，结构简单
2、，易于控制等特点；多旋翼飞行器的发展阶段大致分为两个阶段。四旋翼飞行器发展第一阶段四旋翼飞行器发展第一阶段 20世纪初，法国院士Charles 制造了第一个小型无人飞行器 1907年，Breguet兄弟制作第一 个载人四旋翼飞行器 四旋翼飞行器发展第二阶段四旋翼飞行器发展第二阶段 四旋翼飞行器实现自动导航、精确定位、高稳定性等发展 21世界初，George de Bothezat 采用电能为主要动力源，制造飞行器返回 方案一 优点：1、能够以最小的中心架 安装最多的轴；2、能够调整轴的角度更轻易的转换轴数量及角度。缺点：利用凹槽紧固强度与稳定性不够。方案二 优点：1、避免多轴占用其他装置空间；
3、2、利用螺钉紧固强度与稳定性强。3、调整轴数量及角度方便灵活。方案结构设计方案二方案一VS.确定方案确定方案 我们确定采用方案二 一方面，它很好地解决了飞行器多轴 转换的问题；另一方面，避免了方案一中多轴占用 其它装置空间的问题，以及紧固强度不够 的问题。返回材料选取材料选取本次方案中，大部分零件的采用3D打印机加工，为保证加工零件尺寸稳定、表面光泽好、易于进一步加工，因此打印材料的选择主要考虑材料成型性能与物理性能等相关因素具体如下：塑料种类塑料种类成型性能成型性能物理性能物理性能ABS成型性能中等、收缩率小、冷却速度快、流动性能好冲击强度高、机械加工性能中等、化学稳定性PP能行性能较好、耐
4、热性差、易变性、相比最轻耐老化、耐冲击、电绝缘性能好、易燃韧性差PLA成型性能中等、较轻不易变形、冷却速度快、收缩率小冲击强度高、稳定性好、机械加工较好、韧性好、易降解 根据三种材料的对比，PLA塑料在成型方面与后 期机加工和稳定性方面都比较好，而且PLA塑料易于 降解不会造成污染，因此本次设计的零件的材料以 PLA塑料为主。材料确定材料确定动力分析动力分析 四旋翼飞行器动力分析主要考虑以下三个方面旋翼升力计算飞行器飞行重量电机拉力计算 通过将机翼分割成无数个小桨叶，每个小桨叶为一个叶素，通过计算每个叶素的升力推出机翼的升力，叶素距旋转中心的距离为r，延展向的尺寸为dr，桨叶当地弦长为c，该叶
5、素所产生的升力增量为：由此可计算出整个桨叶上的升力为 式中：c1为升力系数、为当地仰角、为升力线斜率。由于机翼平面诱导速度v1的存在，使得叶素处的有效速度和气流速度之间存在一个下洗角，当地仰角为有效速度与旋翼之间的夹角，可由桨叶几何安装角和下洗角来确定：其中r与v1之比可通过下式来确定：由空气动力学翼型理论知，机翼在失速之前，其升力系数c1与仰角之间的关系与雷诺数Re基本无关，即升力线斜率a与Re无关。这样，在机翼失速之前，可以用常规空气动力学理论确定的升力线斜率来求升力系数C1，并根据公式计算机翼上的升力为10.28N。旋翼升力计算旋翼升力计算22112rrLc cd21011232116R
6、rrrLc cdvabcrrabc 132116rvabcrrabc 1arctanrv=飞行器的起飞重量=飞机的重+飞机质量加速度式中:G总为飞机的起飞重量，N；G飞为飞机的重量，N；m飞为飞机的质量，Kg；为飞行器的起飞加速度，m/s2；T推为电机拉力，N；f摩为飞行器起飞时摩擦力，N；f静为飞行器起飞时的静摩擦力，N；f空为飞行器起飞时的空气摩擦力，N；V为空气的流速，m/s；A为空气的雷诺数，CD为升力系数，K为静摩擦系数，G为飞机的重量，N。计算得出G=6.958N、a=0.0547m/s2、f空=8.99N、f静=2.0874N飞行器的飞行重量为6.997N飞行器飞行重量飞行器飞行
7、重量2=+m*af=1/2a=-f/f=f+ff=kDGGV C ATGG飞飞总空飞推静空摩摩静 飞行器运动过程中要保证机翼产生的升力大于飞行器的飞行重量，根据电机旋转产生升力带动机身向上运动，有以下公式进行电机拉力计算：式中：T扭为电机扭矩，Nm；P为电机功率，W；n为电机转速，r/min；F拉为电机拉力,N；r为电机中心距，mm；I为电机电流，A；R为电机电阻，。由此得出一个电机产生的拉力为4.099N，四个电机产生拉力为16.396N；由于四个机翼共同作用相互产生影响则真实产生拉力为和拉力的0.7倍，因此共产生拉力为11.4772N。电机拉拉力计算电机拉拉力计算2=9549*/n P=I
8、=85n=2200*10=22000r/min F=/r=4.099NTPRWVT扭拉扭 根据计算得知，电机旋转带动机翼旋转产生的 升力为10.28N，而飞行器的飞行重量为6.997N，因 此飞行器能够实现自主飞行和着陆能力。动力分许动力分许返回仿真飞行器特点1、飞行器结构可靠性与稳定性强；2、拍摄搭载装置变换性强，可以安装多种拍摄装置；3、飞行器操作简单，适用范围人群广；4、飞行器结构材料的选取成本低、加工方便且材料质量轻；5、飞行器的整体设计美观。返回 本次设计为初次接触四旋翼飞行器，结构设计与控制设计方面还有待进一步加强优化，现以起落架设计的优化进行探索，把起落架与机翼保护装置设计为一体
9、，使结构简化、降低重量并节约成本。飞行器优化飞行器优化 本设计以四旋翼飞行器为研究对象，主要研究了飞行器的主体结构、飞行动力转换与各部件的强度要求，以满足飞行器在航拍过程中的各种要求，达到良好的航拍效果。本设计是在四旋翼飞行器控制技术领域的一个基础性探索研究，由于本人是首次接触四旋翼飞行器，在前期的积累为零，虽在导师的指导下克服了非常多的困难，取得了一定的进展。但就其深度而言，还尚显肤浅，尤其在自主飞行控制方面还处于探索阶段，因此本文在很多方面还有待于进一步的探索和完善主要包括以下几个方面：利用GPS进行导航并按预先设定路线飞行的能力、信息传输能力和任意姿态飞行的能力将进一步健全和完善，自主飞行是该技术发展的一个重要方向，将在预定航线飞行等方面发挥重要作用。使其具有自主起降和全天候抗干扰稳定飞行能力。总结与展望总结与展望返回
