四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

周健康　張成茂　孫成通　曾憲平

【摘 要】四旋翼飛行器具備所有飛行器的優(yōu)點(diǎn)，并且具備無(wú)人機(jī)造價(jià)低、可重復(fù)性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前市場(chǎng)上大多數(shù)四旋翼飛行器具有結(jié)構(gòu)外形不便于隨身攜帶，重量大等缺點(diǎn)。本文就四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)分析四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和飛行原理，設(shè)計(jì)出機(jī)臂自動(dòng)伸縮、機(jī)臂折疊機(jī)構(gòu)和自動(dòng)收放腳架，從而便于攜帶，降低飛行器重量，達(dá)到了良好的飛行效果。

【關(guān)鍵字】四旋翼飛行器；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；自動(dòng)伸縮機(jī)臂；機(jī)臂折疊；自動(dòng)收放

中圖分類(lèi)號(hào)： V275.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：2095-2457（2018）08-0030-002

Four-rotorcraft structure optimization design

ZHOU Jian-kang1 ZHANG Cheng-mao1 SUN Cheng-tong1 ZENG Xian-ping2

（1.College of Mechanical and Vehicle Engineering， Linyi University， Linyi， Shandong 276000， China；

2.Linyi Sports School， Shandong Linfen 276000， China）

【Abstract】Four-rotor aircraft has the advantages of all aircraft， and it has the characteristics of low cost and high repeatability of drones， and has broad application prospects. At present， most quadrotor aircrafts on the market have the disadvantages of structural shapes that are not easy to carry around and are heavy. In this paper， the structure of the quadrotor is designed. By analyzing the structural characteristics and flight principles of the quadrotor， the boom is automatically retracted， the arm folding mechanism and the automatic tripod are designed， so that it is easy to carry and the weight of the aircraft is reduced. Flight effect.

【Key words】Four-rotor aircraft； Structural optimization； Automatic telescopic arm； Arm folding； Automatic retraction

四旋翼無(wú)人飛行器只需改變四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)飛行器的飛行姿態(tài)控制，機(jī)動(dòng)靈活，同時(shí)四旋翼飛行器具有較高的操控性能，可以在小范圍內(nèi)起飛，懸停，接近目標(biāo)，具有良好的軍事偵察、搜索救援性能，但四旋翼無(wú)人飛行器結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜，不便攜帶，限制了其在特種偵察，搜索救援等領(lǐng)域的應(yīng)用。研發(fā)一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化的飛行器，具有迫切的需求和前景廣闊的市場(chǎng)。本文對(duì)四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)進(jìn)行三方面的設(shè)計(jì)。

1 機(jī)臂伸縮裝置的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目研究的目標(biāo)之一就是設(shè)計(jì)出尺寸較小、方便攜帶的四旋翼機(jī)臂。機(jī)臂伸縮機(jī)構(gòu)由螺桿、圓錐齒輪、異步電機(jī)、圓柱滾子軸承、固定螺母及內(nèi)、外伸縮桿構(gòu)成。單個(gè)圓錐齒輪與電機(jī)輸出軸相連，四個(gè)一組圓錐齒輪分別和四根螺桿相連，螺母固定在內(nèi)伸縮桿里端，圓柱滾子軸承固定在外伸縮桿里端，保持內(nèi)外伸縮桿沿直線(xiàn)傳動(dòng)，遙控器發(fā)射伸縮指令，由飛行控制系統(tǒng)控制異步電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)單個(gè)圓錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪傳導(dǎo)帶動(dòng)四個(gè)一組圓錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使四根螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，四根內(nèi)伸縮桿同時(shí)向內(nèi)收縮，同理，異步電機(jī)反轉(zhuǎn)使四根內(nèi)伸縮桿同時(shí)外伸。機(jī)臂伸縮結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)尺寸見(jiàn)表1.機(jī)臂伸縮裝置如圖1.

2 機(jī)臂折疊設(shè)計(jì)

為了減少放置四旋翼飛行器的空間，設(shè)計(jì)出機(jī)臂折疊裝置。目前常規(guī)四旋翼飛行器的折疊裝置由卡槽、中央槳盤(pán)上下層、機(jī)臂組成，螺栓連接機(jī)臂與上下層板，螺栓的旋轉(zhuǎn)從而使機(jī)臂旋轉(zhuǎn)固定到卡槽。隨著旋轉(zhuǎn)次數(shù)的增加會(huì)使螺栓強(qiáng)度下降產(chǎn)生斷裂，為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)出新的機(jī)臂折疊裝置。機(jī)臂折疊機(jī)構(gòu)由導(dǎo)軌、卡槽、圓錐齒輪、固定桿組成。卡槽固定在中央槳盤(pán)之間。機(jī)臂未展開(kāi)時(shí)，通過(guò)兩相對(duì)圓錐齒輪、導(dǎo)軌固定機(jī)臂。展開(kāi)時(shí)，固定桿繞導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，圓錐齒輪嚙合，卡槽卡死固定桿，完成折疊過(guò)程。機(jī)臂折疊裝置CATIA模型如圖2.

3 自動(dòng)收放腳架設(shè)計(jì)

為了優(yōu)化四旋翼的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了簡(jiǎn)易自動(dòng)收放腳架。該簡(jiǎn)易自動(dòng)收放腳架可以由舵機(jī)控制板、兩個(gè)銀燕12g金屬舵機(jī)、和機(jī)械裝置裝成。舵機(jī)控制板由飛控供電，兩個(gè)舵機(jī)和舵機(jī)控制板連接，調(diào)節(jié)舵機(jī)控制板，使舵機(jī)旋轉(zhuǎn)符合收放腳架要求。通過(guò)螺絲連接使舵機(jī)、合頁(yè)、腳架固定。調(diào)節(jié)遙控器按鈕，實(shí)現(xiàn)空中飛行自動(dòng)收放腳架的功能。自動(dòng)收放腳架CATIA建模如圖3，自動(dòng)收放腳架制作實(shí)體如圖4.

本文針對(duì)四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致續(xù)攜帶困難、飛行效低率等問(wèn)題，通過(guò)研究四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從機(jī)臂伸縮、機(jī)臂折疊和自動(dòng)收放腳架三個(gè)方面設(shè)計(jì)出攜帶方面、重量輕結(jié)構(gòu)優(yōu)化的四旋翼飛行器，從而飛行器達(dá)到較高的飛行效率。

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