四轴飞行器的设计.docx

《四轴飞行器的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《四轴飞行器的设计.docx（17页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、本科毕业论文设计题目：四轴飞行器的设计姓名：*专业：机械设计制造及其自动化学院：机电工程学院学号：12880008指导教师：*职称：2023年4月19日深圳大学本科毕业论文设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），题目是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。对本文的研究做出重要奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。除此之外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本人完全意识到本声明的法律结果。毕业论文（设计）作者签名：日期：年月日目录一.综述4（一）产品开展历史4（二）工程研究现状4（三）研究目的错误!未定义书签。（四）主要研究内容5二.产品

2、工作原理5（一）产品技术方案的提出5（二）产品总体结构5（三）产品工作原理5三.产品结构设计错误!未定义书签。（一）产品性能要求9（一）产品设计计算91参数选择92.估算整机重量103.功率计算IO4.上下平板连接使用螺纹连接类型及连接件选择115.机身支架与马达底座之间控轴公差与配合12（三）产品结构设计141.产品装配图14机架装配14电机装配15脚架装配152.产品零件图16缓冲套16脚架16马达底座错误!未定义书签。下平板16橡胶套1错误!未定义书签。橡胶套217四.结构分析与试验17结论17【摘要】Solidworks软件是美国Solidworks公司开发的三维CAD软件，是世界上第

3、一个基于WindoWS开发的三维CAD软件，功能强大、易学易用与技术创新是SOlidWOrkS软件的三大特点。通过SOIidWorks的三维建模，可以有效减少设计过程中的错误并提高产品质量。，SoIidWorks对于每位工程师和设计者来说，操作方便、易学易用，是产品设计的一大利器。本论文是对四轴飞行器的工作原理和结构进行分析并对其进行设计，通过对四轴飞行器的设计，获得马达底座、上平板、下平板及脚架等零件的各项数据，再根据这些数据用S。IidWOrkS对产品进行三维造型设计，然后生成工程图，最后再利用S。IidWorkS进行装配和仿真。【关t词】SolidWorks、四轴飞行器、产品设计、三维建

4、模、装配和仿真前言四轴飞行器是属于无人飞行器的一种，通过调节四个电机来控制四个螺旋桨升力的变化，从而改变飞行器的飞行姿态和位置。四轴飞行器最开始的时候是由军方研发的一种新式的飞行器。随着单片机、微机电系统传感器、电机和电池技术的开展与普及，四轴飞行器现今成为了航模界的新锐力量。到现在，四轴飞行器已经应用到各个不同的领域，比方军事打击、警用追捕、灾害救援、农林业的调查、输电线巡查、广告宣传、航拍、航模玩具等等，已经成为非常重要的遥感平台。就以农业调查为例子，传统的调查方式是到现场抽样调直或者用航空航天遥感。抽样的方式工作量较大，而且其准确性会受主观因素影响；而使用遥感方式可以同时在大范围内进行调

5、查，时效性和准确性相对于抽样的方式都有了较大的提升，但只能得到大型农作物的宏观指标，而且本钱比拟高。不连续的地块和小种作物等很难运用遥感调查。所以，低空低本钱的遥感技术显得非常重要，而四轴飞行器正正符合低空低本钱的遥感平台的要求。目前应用比拟广泛的飞行器有：固定翼E行器与单轴的直升机。和固定翼飞行器相比拟，四轴飞行器的机动性好，动作灵活，且可以垂直起飞降落和悬停在空中，那么缺点是续航时间比拟短、飞行速度较慢；而与单轴直升机比拟，四轴飞行器的机械结构简单，不用尾桨抵消反力矩，本钱比拟低。本文就小型电动四轴飞行器，介绍四轴飞行器的种实现方案，重点讲解四轴飞行器的结构设计，并对几个比拟重要的零件进行

6、讲解。-.综述（一）产品开展历史四轴飞行器，又称为四旋翼S行器，作为当下最热门的其中一种飞行器，已经受到了越来越多科学爱好者和不同商业公司的关注。下面我就来简单讲述一下四轴E行器的开展历史。1907年，在法国，BregUet兄弟制造出了第一架四旋翼直升机，在这次飞行中没有用任何的控制，所以飞行的稳定性很差。1921年，DeOrgeDeBOtheZat在位于美国俄亥俄州西南部城市代顿的美国空军部建造了另外一架大型的四旋翼直升机，先后进行了100屡次的飞行试验，但是还是没有方法很好的控制直升机E行，并且没有到达美国空军的标准。1924年，出现了一种叫做OemiChen的四旋翼飞行器，四旋翼直升机首

7、次实现了Ikm的垂直飞行。1956年，COnVerlaWing制造了一架四旋翼直升机，这架直升机的螺旋桨直径超过了19英尺，使用了两个发动机，并且通过改变各个螺旋桨提供的升力来控制飞行器。在之后的几十年里面，四旋翼直升机并没有一些大的进展。在近来十几年，随着微机电系统、传感器和控制理论等技术的开展，四旋翼直升机又引起了人们极大的兴趣。研究集中在小型或者微型四旋翼K行器的结构、飞行控制以及能源动力等方面。（一）工程研究现状说到四轴飞行器，我们首先要讨论的就是DJl大疆创新科技。DJl在早年专注于研发直升机自动控制器上。但在2023年，ARErone的成功让大疆公司开始考虑四轴飞行器产品。两年后，

8、大疆就推出了风火轮系列四轴机架、悟空四轴飞行控制器和S800六轴飞行器。在当时，在全球范围内ARQrone引领了一股将四旋翼商业化的热潮，大疆只是众多个小四旋翼公司中稍微出众的-个。随着2023年DJlPhantOm的推出，四轴飞行器的市场形势发生了巨大的变化。PhantOm具有优雅的白色流线型外形；和AR.Drone-样操控简便，新手学习半个多小时就可以飞行。Phantom比ARDrone尺寸大得多，抗风性更好，还有内置GPS导航功能，可以在户外很大的范围飞行。而更加重要的是，当时使用GoPro拍摄极限运动成为了许多欧美国家的时尚，而Phantom提供/GoPro的连接架，让使用GoPro拍

9、摄极限运动的人们有了新视角。并且多旋翼系统比起直升机航拍灵活了不少，能让拍摄者自由的控制拍摄角度和距离。此后，大疆很快又推出了能精确使相机小抖的云台，使S800的航拍影像质量到达了电影水平。（三）三维实体设计软件s。IidWorkS软件介绍SolidWorks软件是达索系统下的子公司SolidWorks公司推出的一款三维CAD系统，是世界上第一个基于Windows设计的三维CAD软件。CV公司的副总裁和PTC公司的副总裁于1993年共同发起、创立了SolidWorks公司，在1995年成功推出了SolidWorks软件。SoIidWorks的技术创新特点符合CAD的开展趋势使SoIidWork

10、s公司在两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。在一些麻省理工大学和斯坦福大学在内的名牌大学里，SolidWorks已经被设为制造专业的必修课程。功能强大、易学易用和技术创新是SOIidWOrkS软件的三大特点。SOIidWOrkS省去了设计过程中的三维视图和二维视图间的转化过程，直接从三维模型入手。设计者可以通过鼠标方便的使用旋转、拉伸、抽壳、特征阵列及异型孔向导等功能，不断修改三维实体造型，最终完成产品的设计。SoIidWOrkS的参数驱动的设计模式使用户可以通过修改相关的参数，从而动态修改设计参数，最终完善设计方案。这种特点可以让用户快速的发现零部件中的机械缺陷，然后直接修改模型，

11、减少了设计中的各种错误。SoIidWOrkS还有系统自带的标准件库，包含螺栓、螺钉、螺母、螺柱和垫圈等常用零部件，在装配时可以直接调用。(四)研究目的(1)培养综合运用所学的机械设计课程的知识去解决机械工程问题的能力，井使所学知识得到稳固和开展。(2)学习机械设计的一般方法和简单机械结构装置的设计步骤。(3)进行机械设计根本技能的训练，如计算、绘图和学习使用设计资料、手册、标准和标准。(五)主要研究内容(1)拟定和分析主体结构装置的设计方案。(2)进行机体的设计计算，结构设计。(3)绘制飞行器总装图。(4)设计飞行器非标零件。(5)飞行器的实体造型。(6)编写设计说明书，准备辩论。-.产品工作

12、原理(一)产品技术方案的提出(二)产品总体结构旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在K行器的支架端，支架中间空间安放6行控制计算机和外部设备。结构形式如图2所示。图2.1四旋翼飞行器的结构形式(三)产品工作原理四旋翼.飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂苴升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。四旋翼飞行器的电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动

13、力扭矩效应均被抵消。在图2.2中，电机1和电机3作逆时针旋转，电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿X轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。(1)垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器那么垂直下降，直至平衡落地，实现了沿Z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。(2)俯仰运动：在图(b)中，电机1的转速上升，电机3的转速下降(改变量大小应相等)，电机2、电机

14、4的转速保持不变.由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转，同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。(3)滚转运动：与图b的原理相同，在图C中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，那么可使机身绕X轴旋转(正向和反向)，实现飞行器的滚转运动。(4)偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼

15、飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图d中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在充裕反扭矩的作用下绕Z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。(5)前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图e中，增加电机3转速，使拉力增大，相应减小电机1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡.按图b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。(在图b图C中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。)(6)倾向运动：在图f中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。转自：机器人世界-人人小站图2.2四旋翼S行器沿各自由度的运动(四)设计前准备1.制造四轴飞行器需要准备什么零件无刷电机（4个）电子调速器（简称电调，4个）螺旋桨（4个，需要2个正浆，2个反浆）飞行控制器电池（锂电池）遥控器（最低四通道遥控器）充电器（尽量选择平衡充电器）机架2.3航模电调2.四轴零件之间接线于简单说明