智能飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

張濤然

摘 要：本文研究的課題所選用的是四軸飛行器，其螺旋槳與電機(jī)直接相連而且是在同一水平高度上對稱分布，且螺旋槳的形狀尺寸完全一樣，螺旋槳支架端的電機(jī)為整個飛行器提供穩(wěn)定運行的能量。相鄰的螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向采用反向結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計能均衡飛行器運行時產(chǎn)生的力矩，避免出現(xiàn)旋翼在空中打轉(zhuǎn)的情況。

關(guān)鍵詞：多旋翼飛行器;旋翼;應(yīng)急裝置;飛行控制

中圖分類號：V423文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2018）26-0122-02

1 智能飛行器的現(xiàn)實意義

智能飛行器是一種科技含量特別高的飛行設(shè)備，軍事上用于對敵方進(jìn)行偵察以及進(jìn)行一些必要的破壞。近年來，飛行器的應(yīng)用范圍越來越大，被廣泛用于人員搜救、物資運輸、航拍等。更高端的飛行器還可以對太空資源進(jìn)行開發(fā)和利用，甚至還能進(jìn)行一些相關(guān)試驗。

2 智能飛行器的飛行原理

四旋翼飛行器是現(xiàn)階段應(yīng)用最為普遍的一種飛行器，以控制螺旋槳的轉(zhuǎn)動速度來實現(xiàn)飛行器在地面、低空、高空三種方位的升降起落，其體積小質(zhì)量輕，在軍事監(jiān)控、工程測量、航空拍攝等范疇的應(yīng)用也非常普遍[1]。4個旋翼之間是動態(tài)平衡的結(jié)構(gòu)，根據(jù)飛行器實時飛行狀態(tài)的變化和接收到的遙控信號調(diào)整4個旋翼的電機(jī)轉(zhuǎn)速，4個旋翼產(chǎn)生向上的升力與整個飛行器的重力相等時，飛行器力矩和為零，從而能實現(xiàn)懸停[2]。

螺旋槳的單軸槳葉是采用正反對稱的布置形式，其原理和竹蜻蜓類似，控制每個螺旋槳的轉(zhuǎn)速就能實現(xiàn)懸停、自由移動等操作。螺旋槳的轉(zhuǎn)動為飛行器運行提供升力，相鄰的螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反，這樣就可以防止旋翼在空中不穩(wěn)定運行。螺旋槳的轉(zhuǎn)動方向如圖1所示。

3 智能飛行器的飛行方式

四軸飛行器的飛行方式如圖2所示。從圖2可知，四軸飛行器主要由旋翼、螺旋臂、主體支撐架和飛行控制器等組成。

飛行器的飛行方式及其飛行原理有以下幾種。

①垂直運動。確保旋翼上的電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，旋翼產(chǎn)生的升力和整個飛行器的重力相等，就能實現(xiàn)懸停。當(dāng)4個電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化量相同，4個旋翼產(chǎn)生的升力就會發(fā)生相應(yīng)變化，機(jī)身沿z軸運動，實現(xiàn)垂直運動。

②前后運動。確保旋翼的力矩之和為零，電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速不變，電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速的改變量不相等且方向相反，旋翼1和旋翼3就會產(chǎn)生前后的拉力，機(jī)身沿y軸運動，實現(xiàn)前后運動[3]。

③偏向運動。電機(jī)1和電機(jī)3與電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速改變量相反，旋翼1和旋翼3與旋翼2和旋翼4的反扭矩不相等，機(jī)身繞z軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)偏航運動。

④側(cè)向運動。確保各旋翼力矩之和等于零，電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速不變，改變電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速，改變量方向相反且不相等，旋翼2和旋翼4將會產(chǎn)生側(cè)向拉力，機(jī)身沿x軸運動，實現(xiàn)側(cè)向運動。

⑤翻滾運動。確保電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速不變，改變電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速，改變量大小相等方向相反，旋翼2和旋翼4將會產(chǎn)生不平衡力矩，機(jī)身繞y軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)翻滾運動。

⑥俯仰運動。確保電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速不變，改變電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速，改變量大小和方向均相同，旋翼1和旋翼3將會產(chǎn)生不平衡的力矩，機(jī)身繞x軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)俯仰運動[4]。

4 智能飛行器的結(jié)構(gòu)組成

智能飛行器的結(jié)構(gòu)包括懸翼結(jié)構(gòu)、控制結(jié)構(gòu)、機(jī)架結(jié)構(gòu)、攝像機(jī)云臺和機(jī)身結(jié)構(gòu)[5]。

4.1 懸翼結(jié)構(gòu)

采用的是X型旋翼，結(jié)構(gòu)如圖3所示。在飛旋翼的末端有正反螺旋槳、固定配件及控制螺槳葉旋轉(zhuǎn)的電機(jī)等其他零部件。4個螺旋槳的旋轉(zhuǎn)能產(chǎn)生足以支撐飛行器飛行的升力，能提高飛行器的負(fù)載能力，螺旋支架數(shù)量越多，負(fù)載能力越大，但螺旋支架越多越難控制。

4.2 控制結(jié)構(gòu)

控制結(jié)構(gòu)固定在四軸的中心，主要由控制器和遙控接收等部分組成?？刂浦行牡碾娐吩K發(fā)送指令控制無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而控制緊急降落裝置的運行。

4.3 機(jī)架結(jié)構(gòu)

機(jī)架結(jié)構(gòu)用于固定旋翼、緊急降落裝置和飛行控制器等其他零部件，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4.4 攝像機(jī)云臺

攝像機(jī)云臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計不但要穩(wěn)固攝像機(jī)，還要不影響攝像機(jī)工作，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4.5 機(jī)身結(jié)構(gòu)

旋翼臂的螺旋槳對稱分布且處于同一水平面，旋翼臂的中心處安放飛行器控制部分，使整個四軸飛行器重心保持穩(wěn)定，四軸飛行器結(jié)構(gòu)是對稱形式，減小了整體設(shè)計的工作量。整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

5 結(jié)語

近年來，智能飛行器逐漸被應(yīng)用于各個領(lǐng)域。為此，本文主要分析智能飛行器的飛行原理、飛行方式及其結(jié)構(gòu)，以期為進(jìn)一步優(yōu)化智能飛行器提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]江斌.小型四旋翼低空無人飛行器綜合設(shè)計[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[2]王柳文.微型飛行器自主控制系統(tǒng)的研究及設(shè)計[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2002.

[3]任玉燦，馬軼群.兩種標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動設(shè)計方法的比較[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報，2009（1）：73-76.

[4]高紅立，李亞，蔣亞飛，等.四軸飛行器的控制與設(shè)計[J].電子世界，2017（7）：134.

[5]方璇，鐘伯成.四旋翼飛行器的研究與應(yīng)用[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2015（2）：113-118.