基于Creo的小型共軸雙旋翼無人機(jī)設(shè)計(jì)與仿真

張梓嵩 郝永平 許九龍

(沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 遼寧 沈陽 110159)

引言

近些年以來，無人機(jī)得到了大量的關(guān)注，它被廣泛的運(yùn)用于航拍、偵察、搜救等工作。與此同時，也出現(xiàn)了大量不同結(jié)構(gòu)的無人機(jī)，主要包括多旋翼無人機(jī)，固定翼無人機(jī)和共軸式無人機(jī)。共軸雙旋翼無人機(jī)由于它結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊，比較容易滿足目前對無人機(jī)小型化的要求，而逐漸在大量領(lǐng)域廣泛使用。參考現(xiàn)在已有的無人機(jī)結(jié)構(gòu)，根據(jù)需要的設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)了一款小型的共軸雙旋翼無人機(jī)，對其進(jìn)行了各個零件的建模，虛擬裝配和運(yùn)動仿真[1]。

一、無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建模

小型共軸雙翼無人機(jī)一般由機(jī)身、電機(jī)、舵機(jī)和槳葉等幾部分組成。本文對無人機(jī)的支撐架和內(nèi)外環(huán)(組成機(jī)身)、外殼等主要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)[2]。

(一)支撐架的設(shè)計(jì)

支撐架是整個共軸雙旋翼無人機(jī)的骨架，它是整個無人機(jī)主要承受外力的零件。它承載著電源、單片機(jī)飛控、舵機(jī)以及能過程中夠改變無人機(jī)橫滾俯仰姿態(tài)的內(nèi)外環(huán)等全部零件[3]，并在無人機(jī)飛行對其上的零件起到了一定的保護(hù)作用。根據(jù)對無人機(jī)外觀的要求以及其的特點(diǎn)，利用Creo對支撐架進(jìn)行三維建模，考慮到對非承受力的部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以及便于對其他零件的安裝與拆卸等方面。設(shè)計(jì)的支撐架如圖1所示，支撐架根據(jù)實(shí)際要求整體設(shè)計(jì)成圓柱形，主要通過兩個主要支柱支撐整體，分上中下三層，上層主要是通過在支撐架的兩個支柱的凸出部分放置軸承來使外環(huán)自由轉(zhuǎn)動并且加以支撐，放置軸承的部分進(jìn)行加厚處理，增加了其在運(yùn)動時的強(qiáng)度，中間層主要是通過4個?3.2的孔來固定單片機(jī)飛控并且在其中一個支柱上放置一個舵機(jī)用來改變外環(huán)的轉(zhuǎn)動方向，下層主要是用來放置電池[4]。并且在支撐架上面還有4個用來與外殼連接的孔。

圖1

(二)外環(huán)的設(shè)計(jì)

外環(huán)是無人機(jī)的幾個主要部件之一如圖2所示，主要用來完成無人機(jī)的橫滾俯仰運(yùn)動，其上承載著一個舵機(jī)，用來改變內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)動方向，這樣兩個舵機(jī)分離，就不會造成萬向環(huán)鎖死的情況[5]。外環(huán)的前后兩端有兩個加厚的部分，其上的有兩個沉頭孔，通過螺絲來連接和支撐內(nèi)環(huán)。其中舵機(jī)通過45°的桿固定在外環(huán)的正下方，橫向放置，這樣可以減小占用的空間，其通過4個桿連接用來加強(qiáng)舵機(jī)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。外環(huán)左右兩端有兩個?3.2的孔，用來連接支撐架。其上右側(cè)后面有個?2的孔，用來連接舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)對外環(huán)的轉(zhuǎn)動控制。

圖2 外環(huán)

(三)內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)

外環(huán)是無人機(jī)的幾個主要部件之一如圖3所示，主要用來完成無人機(jī)的橫滾俯仰運(yùn)動，其上主要安裝了電機(jī)和槳葉控制無人機(jī)升力部分[6]。外環(huán)上面通過4個?3.2的孔來安裝固定無人機(jī)的電機(jī)，其通過加厚來增加強(qiáng)度。外環(huán)的前后各有一個加厚的圓形區(qū)域，其上的孔是用來放置軸承，圓孔后方的矩形孔是用來放置螺母，這樣就可以時內(nèi)外兩環(huán)緊密的連接在一起，外環(huán)前方放置軸承的孔的左側(cè)設(shè)計(jì)了一個?2的孔，用來與舵機(jī)連接來控制內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)動。

圖3 內(nèi)環(huán)

(四)外殼的設(shè)計(jì)

外殼如圖4所示，其主要用來保護(hù)無人機(jī)的內(nèi)部的各個零件，其前后左右各有一個?2的孔來連接支撐架，其前后去掉的小矩形部分，是用來放置支撐劑兩個支柱凸出部分的加厚部分，這又能使支撐架受力的一部分分給外殼，增加了無人機(jī)的受力的強(qiáng)度。由于受限于整體重量的緣故，把外殼厚度設(shè)計(jì)成2mm的圓柱體。

圖4

二、無人機(jī)結(jié)構(gòu)的虛擬裝配

將各個建模后的零件進(jìn)行虛擬裝配是生成工程圖紙和虛擬仿真分析的重要基礎(chǔ)，無人機(jī)的裝配采用自下而上的裝配方式[7]，即將各個零件一一導(dǎo)入到裝配體中，在其中加入合適的配合方式并將零件進(jìn)行必要的旋轉(zhuǎn)來調(diào)整各個零件的位置和方向。本文結(jié)合裝配流程(如圖5所示)對無人機(jī)的裝配方法和步驟進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

按照裝配流程進(jìn)行裝配

(1)打開CREO并新建裝配體文件

(2)點(diǎn)擊組裝，插入第一個零件“支撐架”，把其作為整個裝配體的基準(zhǔn)，設(shè)置其位置是默認(rèn)的。

(3)插入零件“外環(huán)”，通過兩個孔之間的“同軸心”的配合，裝配零件。

(4)插入零件“內(nèi)環(huán)”，通過兩個孔之間的“同軸心”的配合，裝配零件。

(5)插入零件“舵機(jī)”，通過兩個孔之間的“同軸心”的配合和面與面之間“重合”的配合，裝配零件。

(6)重復(fù)步驟5

(7)插入零件“電機(jī)”，通過兩個孔之間的“同軸心”的配合和面與面之間“重合”的配合，裝配零件。

(8)插入零件“槳葉”，通過孔之間的“同軸心”的配合和面與面之間“重合”的配合，裝配零件。

(9)同步驟8。

(10)插入零件“外殼”，通過兩個孔之間的“同軸心”配合和兩個面面之間的“重合”配合，裝配零件。至此無人機(jī)的簡單裝配完成如圖5所示。

裝配圖5

完成無人機(jī)的裝配之后，我們可以通過干涉實(shí)驗(yàn)[8]驗(yàn)證我們的零件設(shè)計(jì)的是否合理，零件與零件之間是否存在干涉，這樣我們就可以改進(jìn)我們的無人機(jī)結(jié)構(gòu)，滿足我們的設(shè)計(jì)要求。

三、無人機(jī)的運(yùn)動仿真

無人機(jī)的運(yùn)動仿真[9]主要是為了生成動畫效果，這樣可以更加直觀的展示無人機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。共軸雙旋翼無人機(jī)是通過兩個電機(jī)帶動兩個槳葉旋轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生升力來帶動無人機(jī)升降。在裝配體的模式下，實(shí)現(xiàn)兩個槳葉的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動仿真，具體實(shí)現(xiàn)如下：點(diǎn)擊“應(yīng)用程序”，然后點(diǎn)擊“機(jī)構(gòu)”，選擇“電機(jī)”，選擇槳葉中軸線為參考軸，設(shè)置轉(zhuǎn)速為200r/min,完成電機(jī)設(shè)置。重復(fù)上述步驟完成兩個槳葉旋轉(zhuǎn)的基本設(shè)置，在選擇槳葉旋轉(zhuǎn)方向時兩個槳葉選擇不同方向。為實(shí)現(xiàn)無人機(jī)上升運(yùn)動仿真，需要點(diǎn)擊“應(yīng)用程序”中的動畫，新建“捕捉動畫”，然后點(diǎn)擊“關(guān)鍵幀序列”，設(shè)置關(guān)鍵幀，然后再設(shè)計(jì)時間地和把電機(jī)設(shè)置，就可以完成無人機(jī)上升的動畫仿真了。

四、結(jié)語

本文基于Creo軟件，完成了小型共軸雙翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，虛擬裝配和運(yùn)動仿真。仿真結(jié)果生動形象，能夠更加直觀的展示共軸雙旋翼無人機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，以及無人機(jī)的運(yùn)動過程。為這種無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面提供了可靠的參考和學(xué)習(xí)。