四轴飞行器结构设计及控制分析【四旋翼飞行器、四旋翼直升机】【说明书+CAD+PROE】

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Nienhaus, A. K. Bayer & H. Haut, Aachen University of Technology, GER1 AbstractRecently, the focus in underground longwall coal mining has been on increasing the installed motor power of shearer loaders and armoured face conveyors (AFC), more sophisticated support control systems and longer face length, in order to reduce costs and achieve higher productivity. These efforts have resulted in higher output and previously unseen face advance rates. The trend towards “bigger and better” equipment and layout schemes, however, is rapidly nearing the limitations of technical and economical feasibility. To realise further productivity increases, organisational changes of longwall mining procedures looks like the only reasonable answer. The benefits of opti-mised shearer loader cutting sequences, leading to better performance, are discussed in this paper.2 IntroductionsTraditionally, in underground longwall mining operations, shearer loaders produce coal using either one of the following cutting sequences: uni-directional or bi-directional cycles. Besides these pre-dominant methods, alternative mining cycles have also been developed and successfully applied in underground hard coal mines all over the world. The half-web cutting cycle as e.g. utilized in RAG Coal Internationals Twentymile Mine in Colorado, USA, and the “Opti-Cycle” of Matlas South African shortwall operation must be mentioned in this context. Other mines have also tested similar but modified cutting cycles resulting in improved output, e.g. improvements in terms of productiv-ity increases of up to 40 % are thought possible。Whereas the mentioned mines are applying the alternative cutting methods according to their spe-cific conditions, e.g. seam height or equipment used, this paper looks systematically at the differ-ent methods from a generalised point of view. A detailed description of the mining cycle for each cutting technique, including the illustration of productive and non-productive cycle times, will be followed by a brief presentation of the performed production capacity calculation and a summary of the technical restrictions of each system. Standardised equipment classes for different seam heights are defined, after the most suitable and most productive mining equipment for each class are se-lected. Besides the technical parameters of the shearer loader and the AFC, the length of the long-wall face and the specific cutting energy of the coal are the main variables for each height class in the model. As a result of the capacity calculations, the different shearer cutting methods can be graphically compared in a standardised way showing the productivity of each method. Due to the general char-acter of the model, potential optimisations (resulting from changes in the cutting cycle and the benefits in terms of higher productivity of the mining operation) can be derived. 3 State-of-the-art of shearer loader cutting sequencesThe question “Why are different cutting sequences applied in longwall mining?” has to be an-swered, before discussing the significant characteristics in terms of operational procedures. The major constraints and reasons for or against a special cutting method are the seam height and hard-ness of the coal, the geotechnical parameters of the coal seam and the geological setting of the mine influencing the caving properties as well as the subsidence and especially the length of the longwall face. For each mining environment the application of either sequence results in different production rates and consequently advance rates of the face. The coal flow onto the AFC is another point that varies like the loads on the shearer loader, especially the ranging arms and the stresses and the wear on the picks. A thorough analysis is necessary to choose the best-suited mining cycle; therefore, general solutions do not guarantee optimal efficiency and productivity. A categorization of shearer loader cutting sequences is realised by four major parameters . Firstly, one can separate between mining methods, which mine coal in two directions meaning from the head to the tailgate and on the return run as well or in one direction only. Secondly, the way the mining sequence deals with the situation at the face ends, to advance face line after extract-ing the equivalent of a cutting web, is a characteristic parameter for each separate method. The nec-essary travel distance while sumping varies between the sequences, as does the time needed to per-form this task, too. Another aspect defining the sequences is the proportion of the web cutting coal per run. Whereas traditionally the full web was used, the introduction of modern AFC and roof sup-port automation control systems allows for efficient operations using half web methods. The forth parameter identifying state of the art shearer loader cutting sequences is the opening created per run. Other than the partial or half-opening method like those used in Matlas “Opti-Cycle”, the cutting height is equal to the complete seam height including partings and soft hanging or footwall material. 汉语翻译高效生产 一个关于采煤机截割的次序的问题1 摘要目前, 地面下长壁采煤法致力于增加安装在采煤机和甲板输送机的电机功率, 以及更先进的支架控制系统和增加工作面长度,以达到减少费用和取得较高的生产效率的目的。这种努力已经造成较高的开支和先前未见过的设备费用增长速度。现在趋向于 更大和更好 的仪器和装备，然而这种趋势在技术上和费用上的可行性已经达到极限。为了要实现进一步促进生产力的增加，合理、有机地规范长臂采煤法的工序应该是解决提高生产效率问题的唯一的合理答案。在本文中论述了通过合理安排采煤机的截割次序以实现提高采煤工作效率。2 简介传统上，在地面下长壁采煤法操作方面，采煤机挖掘过程中，使用以下截割次序之一:反方向的或双方向的循环。除了这两种主要的方法，交替循环采煤也已经应用在地下的硬煤层开采中，它被成功地推广在全世界的挖掘过程中。就半边切断循环举例来说，在科罗拉多,美国在二十里煤矿利用，而且 Matlas 的南非短巷道操作的开采也在这被应用。 其他类似的采掘已经通过验证改进截割次序能提高开采产量,举例来说，它大约能够在产量上增加40%的。然而提到应用在采煤上根据特殊情况而改变切割的方法,用煤层高度和设备的使用来举例说明,论文系统地论述通过从不同的角度采取不同的方法。详细描述了采矿的每种切割方法, 包括能生产的和不能生产的循环,以下将会给出一个简短的关于采煤机生产能力的计算和每个系统在技术上的受到的约束的概要说明。根据煤层的厚度采用不同标准的设备和合适的装置 。此外采煤机和甲板输送机，工作面的长度和特定采煤机截割方式等技术参数在本模型中根据不同的煤层厚度而改变。根据采煤的产量，不同采煤机截割的方法可以通过一个标准化方法绘制产量图来反映不同截割方法的优劣。 根据模型的特征,最优的结果 ( 通过改变截割方式而得到的不同的采煤产量)就能获得。 3 采煤截割次序的技术说明为什么长壁采煤法应用的不同切割次序?这个问题是必须回答的,在以讨论操作工序的主要规则之前，切割方法主要受到煤层的厚度和煤层硬度等因素的限制，就像煤层的物理参数和矿的地质学条件影响煤的崩落能力一样，同样也会影响长壁采煤法工作面的煤层塌方。对于不同的地质条件，不同的截割次序都会得到不同的生产效率和不同质量的工作面。 煤送入甲板输送机之上正如采煤机截割，是采煤中的另外一个问题,尤其是在截齿上受到的屈服应力和疲劳应力。 一个对于选择最适合的截割次序的全面分析是必要的-适合采矿替换;因为，一般性的解答是不能保证最佳的效率和产量。 对于一个采煤机截割次序的分类是通过四个主要的参数来规定的.第一，能在采矿方法之间分开,向矿井的两个方向即从头到尾。第二，根据截割次序，在到达工作面尾部, 预先在选取一个等价的线切断网,是区分截割方法的一个独立的参数。必须有一定的距离空间以改变截割次序, 因为做这些需要一定的时间。 定义截割次序的另外一个方面是网状断煤的轨迹。 然而传统地完整的使用, 现代的甲板输送机和液压支架系统允许使用有效率的一半网方法操作。区分截割工艺的以前那些参数就可以把不同的截割方式区分。除了部份或半开口像被用在Matla的循环截割中的那些一样的方法,切断高度分别包括柔软悬吊装置和采煤机的高度，它和煤层厚度相等。 双方向的截割次序在图1中被描述的双方向的截割次序, 是表示工作面二点之间的特点，在一个完全的截割操作周期中, 是在两者的向前和返回期间是完成的。整个长壁采煤法每个周期的完成等价于在网状截割轨迹的一个巡回。滚筒的前端面截割煤层的顶部而滚筒的后端面截割煤层的下部，同时起到清除落煤的作用。这个切割的方法主要的缺点主要表现在截割时间和操作比较复杂。 因此，趋势近几年来要增加工作面的长度以减少挖掘过程中的冲击载荷和延长截齿的寿命。单方向的截割次序与双方向的方法相反,在单向模型里截割采煤机截割是朝一个方向进行的。 在回返行程中，地板煤是被采煤机底板它本身清理。截割运动在往返时被在工作面限制了操作运动推进的速度。截割操作在工作面的开头部位,如图1 b所示。因为切割动作只能是一个方向循环而使截割的工作效率低，它是单向截割次序的主要缺点。此外煤流可能是相当不规则，它依赖于采煤机在截割周期中的位置。半滚筒截割次序半滚筒截割的主要优点是它减少采煤机在截割过程中的无效截割时间,造成高机器利用。如图 2 所显示的半滚筒截割次序处于工作面中间位置时，它与双方向截割次序具有一致性。完整的滚筒在截割结束时,藉由更快速地允许的较低速度在煤层的中间部位向两个方向操作。除了实现较高的牵引速度，在甲板输送机被的采煤机双向循环的煤流而平衡。半开口切割次序这种方法的优点更突出，它实际上是在二个方法中的提高和改进。如图2 b所示煤层的上端面和中间部分在向它的后端面时被截割。在回程底部的煤与自由的面和工作面的较小比例的来切断煤层来一起截割；结果其牵引速度由于受到材料的切割能特性而限制。滚筒截割在煤层的中间部位不会产生无效的截割时间。类似的回程后门工作面必须在进入主工作面之前减小机身长度。湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计（论 文）任 务 书 机 电 工 程 学院 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 系系主任: 龚玲俐 （签名） 2015 年 3 月 8 日学生姓名: 黄凯锋 学号: 1104020113 专业: 机械设计制造及其自动化 1 设计（论文）题目及专题： 四轴飞行器结构设计及控制分析 2 学生正式设计时间：自 2015 年 3 月 8 日开始至 2014 年 5 月 20 日止3 设计（论文）所用资源和参考资料：1）到图书馆查阅有关飞行控制系统方面的书籍及科技期刊； 2）参阅四轴飞行器的设计手册、典型四轴飞行器图册及在网上查阅与课题有关最新资料； 4 设计（论文）应完成的主要内容：1)本四轴飞行器的简介和发展概况，及其基本的工作原理； 2)本四轴飞行器的结构分析，对支架、摄像机机座、应急降落装置等结构原理方案进行设计说明； 3)本四轴飞行器的空气动力学分析，得出四轴飞行器飞行姿态与各桨叶升力之间的关系； 4)本四轴飞行器的控制系统实现，对四轴飞行器的控制方案进行数学建模。 5)本四周飞行器各部件的设计与校核，及其重要零件的技术设计计算说明等； 5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：1)本四轴飞行器总装配图、飞行器零部件图、控制电路图、电气接线图、本飞行其中所设计使用的电路板原理图等共折合A0不少于2.5张（飞行控制程序一份可抵图纸0.5A0）； 2)设计计算说明书一份（小四号字打印不少于40页，文中可插自画图和表格，规范见校文件）；3)刻碟一张（内容为本设计的电脑设计图和设计计算说明书）； 6 发题时间： 2015 年 03 月 08 日指导教师： （签名） 学 生：黄凯锋 （签名）湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）指导人评语主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价指导人： （签名）年 月 日 指导人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）评阅人评语主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价评阅人： （签名）年 月 日 评阅人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）答辩记录日期： 学生： 学号： 班级： 题目： 提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1 设计（论文）说明书共页2 设计（论文）图 纸共页3 指导人、评阅人评语共页毕业设计（论文）答辩委员会评语：主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价答辩委员会主任： （签名）委员： （签名）（签名）（签名）（签名） 答辩成绩： 总评成绩： 湖南科技大学本科生毕业设计（论文）湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计（ 论 文 ）题目四轴飞行器结构设计及控制分析作者黄凯锋学院机电工程专业机械设计制造及其自动化学号1104020113指导教师马克新二一五 年 五 月 三十 日湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计（论 文）任 务 书 机 电 工 程 学院 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 系系主任: 龚玲俐 （签名） 2015 年 3 月 8 日学生姓名: 黄凯锋 学号: 1104020113 专业: 机械设计制造及其自动化 1 设计（论文）题目及专题： 四轴飞行器结构设计及控制分析 2 学生正式设计时间：自 2015 年 3 月 8 日开始至 2014 年 5 月 20 日止3 设计（论文）所用资源和参考资料：1）到图书馆查阅有关飞行控制系统方面的书籍及科技期刊； 2）参阅四轴飞行器的设计手册、典型四轴飞行器图册及在网上查阅与课题有关最新资料； 4 设计（论文）应完成的主要内容：1)本四轴飞行器的简介和发展概况，及其基本的工作原理； 2)本四轴飞行器的结构分析，对支架、摄像机机座、应急降落装置等结构原理方案进行设计说明； 3)本四轴飞行器的空气动力学分析，得出四轴飞行器飞行姿态与各桨叶升力之间的关系； 4)本四轴飞行器的控制系统实现，对四轴飞行器的控制方案进行数学建模。 5)本四周飞行器各部件的设计与校核，及其重要零件的技术设计计算说明等； 5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：1)本四轴飞行器总装配图、飞行器零部件图、控制电路图、电气接线图、本飞行其中所设计使用的电路板原理图等共折合A0不少于2.5张（飞行控制程序一份可抵图纸0.5A0）； 2)设计计算说明书一份（小四号字打印不少于40页，文中可插自画图和表格，规范见校文件）；3)刻碟一张（内容为本设计的电脑设计图和设计计算说明书）； 6 发题时间： 2015 年 03 月 08 日指导教师： （签名） 学 生：黄凯锋 （签名）湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）指导人评语主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价指导人： （签名）年 月 日 指导人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）评阅人评语主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价评阅人： （签名）年 月 日 评阅人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）答辩记录日期： 学生： 学号： 班级： 题目： 提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1 设计（论文）说明书共页2 设计（论文）图 纸共页3 指导人、评阅人评语共页毕业设计（论文）答辩委员会评语：主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价答辩委员会主任： （签名）委员： （签名）（签名）（签名）（签名） 答辩成绩： 总评成绩： 摘要 四轴飞行器，又称四旋翼飞行器、四旋翼直升机，简称四轴、四旋翼。这四轴飞行器是一种多旋翼飞行器。四轴飞行器的四个螺旋桨都是电机直连的简单机构，十字形的布局允许飞行器通过改变电机转速获得旋转机身的力，从而调整自身姿态。该设计主要利用已有的相关技术，初步研究和设计四轴飞行器的飞行控制系统，并制作出1:1等比例模型。四轴飞行器采用四个旋翼，其飞行方式与直升机相比有较大的区别，可通过调节四个旋翼之间的速度来实现飞行姿态的切换，并以此来控制飞行速度。如此一来就不需要繁杂的桨矩控制部件，同时四个旋翼可以共享电路控制板以及电池等，简化了飞行器的结构，降低了能源的消耗。具有较高的研究价值和使用价值，可用于侦查监视、通信中继等。本文围绕四轴飞行器进行了初步的分析和设计。首先在结构上对四轴飞行器进行了结构上的设计与加深，紧接着对四轴飞行器的空气动力学特性与四轴飞行器飞行姿态控制的力学原理进行了研究和分析，最后对四轴飞行器的控制系统和控制率进行了设计和分析。关键词：四轴飞行器；飞行控制系统；旋翼；稳定架；应急装置ABSTRACTQuadrocopter, also known as four-rotor aircraft, four-rotor helicopter, called four-axis, four-rotor. Four simple mechanism axis propeller aircraft are the motor directly connected, cross-shaped layout allows the aircraft fuselage rotational force obtained by varying the motor speed to adjust their attitude.The design is mainly related to the use of existing technologies, preliminary research and design four-axis aircraft flight control system, and create a 1: 1 scale models. Quadrocopter uses four rotors, compared to its helicopter flight mode have a greater difference, by adjusting the speed of the four rotors to achieve flight attitude between switching, and also can control the flight speed. This way you do not need complicated collective pitch control components, while four rotor can share the circuit control board and batteries, simplifying the structure of the aircraft, reducing energy consumption. So，It has high research value and use value, can be used to detect surveillance, communications relay and so on.This paper focuses on four axis aircraft conducted a preliminary analysis and design. First, the structure of the four-axis aircraft was designed and deepen structural, followed axis of the aerodynamic characteristics of the aircraft and aircraft mechanics axis attitude control conducted research and analysis, the final of four-axis aircraft control systems and control law were designed and analyzed.Key words：Quadrocopter；Flight Control System；Rotor；Stable frame；Emergency equipment- 47 -目 录第一章 概述 11.1 前言11.2 四轴飞行器发展历史11.3 飞行控制系统简介41.4 本论文主要研究问题51.5 本章小结6第二章 四轴飞行器结构设计72.1总体结构设计方案72.2摄像机架设计方案82.3应急降落装置设计方案92.4本章小结 11第三章 四轴飞行器零件设计123.1机架零件设计 123.2摄像机稳定座零件设计 123.3应急降落装置零件设计 123.4本章小结 19第四章 四轴飞行器力学分析204.1坐标系的建立 204.2单个旋翼产生的力与力矩 214.3机身所产生的力与力矩 244.4飞行器所受合力与合力矩 254.5 本章小结25第五章 四轴飞行器控制原理265.1四轴飞行器姿态控制原理 265.2四轴飞行器姿态与升力的关系285.3本章小结30第六章 四轴飞行器控制实现316.1控制律设计 316.2总体设计 356.3飞行控制板的选用 366.4 电机驱动模块的设计386.5 遥控装置的选用386.6 电源装置的设计386.7 本章小结 41设计体会 42参考文献 44致 谢 45第一章 概 述1.1前言飞行器可用于民用行业、满足国防需求，还可以开发和利用太空资源、进行太空操作和相关试验等，因此国内外对飞行器进行了大量的研究。对飞行器的研究目前主要包括有固定翼、旋翼及扑翼式三种。四轴飞行器最开始是由军方研发的一种新式飞行器。随着传感器、单片机和电池技术的发展和普及，四轴飞行器近年来开始活跃于各大航拍市场与小型无人机市场。属于旋翼式的一种，相对于其他的旋翼式飞行器而言，四轴飞行器由于能够共享电池、飞行控制电路板等，故而其结构更为紧凑，能够产生更大的升力，而且可以通过反扭矩作用使飞行器扭矩平衡而不需要专门的反扭矩桨，加之以机械结构相较于直升机更为简单，故而维护成本低廉方便，因此研究开发新型的四轴飞行器具有重大的现实意义。1.2 四轴飞行器研究历史从目前的四轴飞行器研究状况着手，对于四轴飞行器研究主要包括两大类别：共轴式四轴飞行器和非共轴式四轴飞行器。1.2.1非共轴式四轴飞行器研究非共轴式四轴飞行器的研究中，著名的有美国克莱斯勒汽车为美国陆军研制的VZ-7、美国DRAGANFLYER公司研制的DRAGNFLYER III 和 DRAGANFLYER X-Pro 、日本 KEYENCE 公司研制的 ENGAGER GS III E-770 和GYROSAUCER II E-570 与美国斯坦福大学的MESICOPTER等。VZ-7也称为Flying Truck，共有两个原型机，如图1-1所示。该飞行器长5.2米，宽4.9米，最大起飞重量为770KG，可以运载250KG的载荷，有425马力的涡轮轴发动机驱动。VZ-7操作简便，容易起飞，但不能满足速度和高度的要求，而且原型机业余1960年退还给了美国航空事业的先驱柯蒂斯。图1.1美国克莱斯勒汽车研制的VZ-7DRAGANFLYER III 和DRAGANFLYER X-Pro 采用碳纤维和高性能工程塑料制作本体，由具有双重变换FM接受机的CPU控制系统独立控制四个电机，并采用了三个压电晶体陀螺仪来增强机体在俯仰、翻滚、偏航方面的稳定性。当利用9.6V，600mAh的镍镉电池是，能飞行5min，负载30g。DRAGANFLYER X-Pro 为DRAGANFLYER 公司研制的四轴飞行器DRAGANFLYER III 的改进型。与DRAGANFLYER III相比，另具有的特点是：么个点击到螺旋桨之间的传动是带传动；固定电机用的四根力臂可以根据情况折叠，便于运输和存放；采用九通道的RC遥控装置可以对其进行俯仰、翻滚、偏航以及飞行高度等控制；电源采用17.5V、3000mAh的镍氢电池，飞行时长在5min6min之间。 图1.2 DRAGANFLYER III 图1.3 DRAGANFLYER X-Pro日本KEYENCE公司延迟的ENGAGER GS III E-770飞行器通过压电式陀螺仪进行三轴控制，并允许自由倾斜，可以再无线遥控下飞行三分钟。该飞行器长500mm，宽400mm，高120mm，重300g，载重约为120g，采用7.2V 550mAh的镍镉电池组。GYROSAUCER II E-570 为 KEYENCE 公司研制的又一四轴飞行器，该飞行器装有两个陀螺仪，用于飞行姿态和旋转角度的控制，并且拥有训练模式和初学者模式两种模式，可以进行杂技飞行。飞行器本体则由泡沫聚苯乙烯制成，本体直径为250mm，桨叶直径135mm，重90g，遥控半径10m。采用无缆飞行可飞行13min，采用有缆飞行可以飞行30min。图1.4 GYROSAUCER II E-570斯坦福大学的 mesicopter 是一种厘米尺寸大小的微型直升机。其前期工作阶段主要是研究了低雷诺系数下的空气动力学特性、对旋翼翼型做了优化设计、研究了微型旋翼的加工方法、完成了试验样机在一杆臂上的离地起飞。进一步工作则是完成自主飞行和多个飞行器协助完成具体任务。该飞行器的四个旋翼分别有直径3mm,重325mg的微型电机驱动，每个螺旋桨直径为1.5cm，厚度仅为0.08mm，机身为16*16mm的方形框架。图1.5 mesicopter1.2.2共轴式四轴飞行器研究共轴式四轴飞行器的研究中，著名的有美国 Sikorsky公司研制的 Cypher 、美国DRAGANFLYER公司研制的DRAGNFLYER III 和 DRAGANFLYER X-Pro 、日本 KEYENCE 公司研制的 ENGAGER GS III E-770 和GYROSAUCER II E-570 与美国斯坦福大学的MESICOPTER等。美国 Sikorsky公司研制的 Cypher 可以垂直起降，能够悬停，既可以按照地面的指令飞行，又可以脱离地面的指令自主飞行。Cypher 直径2m，采用高效率通道共轴式4桨ABC旋翼系统，两副旋翼反向旋转，以抵消发扭矩。动力为50马力的发动机。Cypher 能承载50磅的重量以80节的速度巡航3个小时，最大飞行高度为8000英尺，起飞重量为250磅，操作系统为电传动操纵系统，采用差分GPS进行定位和导航。Cypher 综合了一系列先进技术，如复合材料技术、无轴承旋翼、电传动飞控系统和先进的电子设备，在军事上可用于侦查、通讯中继、电子干扰等，在民用上可用于公用事业，如探勘地下管道、反走私、森林防火、灾害搜救等。Cypher II 是 Cypher 的改造型，增加了一对机翼，总重100kg，最高飞行速度为230km/h，可以载重45磅进行2小时的航行，航程100海里。1.3 飞行控制系统简介当前飞行控制方式主要有：遥控飞行、自主飞行以及半自主飞行三种方式。遥控飞行是指没有安装飞行控制系统，可以看成是航模，只能在视距内飞行，应用价值不大；自主飞行是指在飞行过程中可以完全脱离人的干预实现飞行，通常采用陀螺仪测量姿态，与角速度陀螺组成姿态角稳定内回路，并采用导航系统进行导航。而半自主飞行是介于这两者之间的飞行方式，飞行任务主要有人干预完成，飞行器装有有角度传感器和角速率陀螺仪组成的姿态角稳定内回路，飞行稳定性和可操作性大大提高。由于任务量和技术方面原因，暂时实现半自主飞行。该控制系统结构如图1- 6所示：图1.6 半自主飞行控制系统控制框图该飞行控制系统主要是提高系统飞行稳定性和可操作性，为自主型飞行器控制系统打下基础。1.4 本论文主要研究问题本文就小型的电动四轴飞行器，从机械设计与控制工程的角度对四轴飞行器进行深度剖析。综合运用机械设计、空气动力学、控制工程课程及其他相关课程理论知识，对四轴飞行器的应用性能进行拓展，并对之进行适当改造以提高四轴飞行器的可靠性与安全性。此四轴飞行器一方面具有多个旋翼，另一方面属于微型飞行器，与常规飞行器存在较大差异，而目前对低雷诺数下的微型飞行器尚无数学模型，只能参考传统的飞行控制系统并做一些改进。本设计采用PID控制，并试图通过采用分段比例控制来提高飞行器的飞行稳定性。本文需要阐述的研究内容主要包括如下几个部分: 飞行器选型与构架； 飞行器空气动力学特性分析计算； 设计比较合理的控制律； 控制系统软硬件的设计与实现； 元器件的轻型化与辅助机械装置的设计； 重要零件的校核。1.5本章小结本章简要介绍了四轴飞行器的发展历程，对四轴飞行器做了简要的介绍，并在本章提出了本设计所需要解决的问题与本设计所要涉及的内容等。第二章 四轴飞行器的结构设计四轴飞行器属于旋翼式飞行器中的一类，从一定程度上可以看成是四个具相同同性能的直升机的相互组合，但是又与直升机有了很大的不同。四轴飞行器由于具有两对旋翼，一方面可以将各个桨叶产生的反桨矩利用相互抵消的原理而互相平衡；另一方面也可以通过调节两对桨叶所产生的升力和扭矩大小来控制飞行器的飞行姿态，而不需要调节桨叶的桨矩角。大大的简化了控制方式的同事节省了复杂的桨矩控制部件，减轻飞行器的重量减小了消耗。2.1 总体结构设计方案图2.1 四轴飞行器机架三维结构图 如图图2.1四轴飞行器机架三维结构图所示，四轴飞行器的主体部分有产生升力分布在四轴的四个螺旋旋翼、支撑旋翼的机架、摄像机机座、降落伞装置以及控制板所组成，每个旋翼有无刷电机、桨叶以及连接件等零部件。为减轻飞行器的自重，主要以轻质材料、如碳纤维制成。 另由于左右两个旋翼和前后两个旋翼旋转方向不同，因此必须采用不同的正反桨，左右两旋翼采用正桨，前后两旋翼采用反桨。对比直升机，此结构有如下特点：1).四轴飞行器只受桨叶和机身所产生的力与力矩。2).四轴飞行器具有多个浆叶，因此可以通过控制和协调各桨转速，来改变桨叶所产生的升力和扭矩，控制飞行器的姿态和稳态，无需改变桨叶的桨距角。3).由于不存在变矩作用，因此其桨叶挥舞角不随方位角的变化而变化。2.2 摄像机架设计方案鉴于飞行器在飞行过程中会受到大风、运动姿态转换等各个因素的干扰而造机身颤动，而如摄像设备跟随机身一起颤动势必影响摄影质量，从而影响飞行器航拍效果，为使得摄像设备不会跟随机身的颤动而一起颤动，从而设计一下装置以保证摄像设备的自我稳定功能。图2.2 摄像机机架三维结构图如图2.2摄像机机架三维结构图所示,该装置由1-机上支撑架、2-支撑杆、3-前后方向稳定架、5-左右方向稳定柱与4-摄像机安装架等部件组成。其中构件2、3与构件3、5之间的连接处由滚珠轴承连接。其运作原理如下因摄像机重心在下，从而使得整个装置始终要维持为一个直线，因各个连接点的实用滚珠轴承连接，故而所受的摩擦力很小几可忽略不计。从而当飞行器发生颤动和滚覆时，因摄像机的惯性使得摄像机重心相对于飞行器而言始终维持在一条直线上。从而达到摄像机平衡的目的。2.3 应急降落装置设计方案为确保产品使用时的设备安全与人身安全，故还需在本产品上配备有应急降落装置，本降落装置参照市面上现有的航空开伞器进行改进设计，从而使之适合本产品的使用需求与要求。在飞行器飞行过程中出现意外状况与故障时仍可以安全的着陆，从而避免设备的损坏并确保陆上人员的安全。将该装置装在飞行器上，当飞行器出现故障而失灵时。机上应急系统便会出发该降落装置，该装置可以被控制在一定时间和达到一定高度时自动将伞包打开。从而保证了机上设备的安全，降低损失。该应急降落装置结构如图2.3应急开伞器结构原理所示图2.3 应急开伞器结构原理应急开伞器工作前拉紧钢索1，将弹簧压缩从而储存能量。当飞行器发生故障，机上故障检测装置向应急开伞器发出指令，应急开伞器开始工作。开伞器工作时，弹簧恢复力做功并释放能量。时间控制部分则由一个轮系和一个无固有周期的擒纵调速器组成。开伞器工作前软锁针13插入惯性轮12的缺口之中，将整个机械锁住。拉钢索1，将弹簧2压缩（粗实线位置）。当应急开伞器开始工作时，软锁针被飞行器上的微型电机拔出。此时在弹簧恢复力F的作用下，滑轮3推动制动块4，使扇形齿轮5转动。经过三级升速齿轮传动，轮系近似等速转动。由于扇形齿轮5与其上的制动块4顺势一起转动，经过一定时间后，当制动块最外端与滑轮3圆周右侧边界点脱开时，弹簧释放带动钢索1将伞包上的锁扣开启。该应急降落装置工作时打开降落伞包所需要的能量主要是由压缩弹簧2供给的。开伞器不工作时弹簧处于放松状态（虚线位置）。开伞器工作前拉钢索1，将弹簧压缩（实线位置）。开伞器工作时弹簧恢复力做功、释放能量。时间控制部分主要由一个轮系盒一个无故有周期的擒纵机构组成。擒纵轮12盒擒纵叉13组成无故有周期擒纵调速器，开伞器工作前软锁针15插入惯性轮14缺口中将整个机构锁住。压缩弹簧的动作是在事前设置好，当飞行器出现故障，应急系统被触发，软锁针被拔出。此时在弹簧恢复力F的作用下，滑轮3推动制动块4，使扇形齿轮转动。经过三级升速齿轮传动，运动和力矩传到擒纵轮，使擒纵调速器工作。图2.4 擒纵调速器工作原理由于弹簧2恢复力的作用，在擒纵轮上作用力矩M，使其逆时针转动。当擒纵轮齿与擒纵轮叉进瓦接触时，在接触点上擒纵叉的力为P1，P1沿进瓦的法线方向，偏离擒纵轮齿的回转中心。P1力产生使擒纵叉逆时针转动的力矩M1擒纵叉逆时针转动1角度后，擒纵轮齿与进瓦脱开。在M1作用下擒纵轮转过一定角度后，另一个擒纵轮齿与擒纵叉出瓦相接触。此时，轮齿作用于出瓦的力为P2，P2力产生使擒纵叉顺时针转动的力矩M2。当擒纵叉顺时针转过2角度后，轮齿与出瓦脱开，在力矩M2作用下，擒纵轮又转过一定角度。直到下一个齿与进瓦相接触，就这样擒纵叉摆动一次，擒纵轮转过一个齿。所需要的时间为一个周期。2.4 本章小结本章对该飞行器上的机械装置与结构进行了分析与设计，并将飞行器的飞行原理、摄像机稳定架的稳定原理与应急降落装置的工作原理与结构进行了初步的分析与讲解。为下章的具体设计奠定了基础。第三章 四轴飞行器零件设计3.1机架零件设计要求飞行器机架为飞行器的主体部分，为本产品其他两个系统、无刷电机与飞行器控制电路系统的主要承载体 。又本飞行器属微型飞行器，主要用途为航拍与高空侦察，电机选用功率与所需承载的力并不太大，故无需对机架各零件进行强度校核，可参照其他产品对机架零件进行类比设计。主要涉及重点在机架零件本身各部分的尺寸协调与摄像机稳定座、应急降落装置部件与飞行控制电路的装配尺寸上的协调上。具体可参看飞行器总装配图与、行器机架部件图与机架零件图，在此不作详述。3.2摄像机稳定座零件设计要求摄像机稳定座即为摄像机安装座，主要承载摄像机的重量，而安装在此飞行器上的摄像机的重量并不太大，一般的材料足以满足所需的强度与刚度。因此其零件的设计的重点主要集中在尺寸与形状的设计上。其尺寸与形状的选择主要依照摄像机的外观尺寸而定，所应满足的要求是能够稳定的卡住摄像机，限制摄像机的6个自由度，同时也要便于拆装。具体尺寸与外观设计可参看摄像机稳定座部件图与相应零件图，在此亦不作详述。3.3 应急降落装置零件设计由第二章的叙述，可知该应急降落装置主要包括有能源机构、时控机构、高度控制机构等组成，现分别对各机构的零件进行设计。3.3.1 能源机构参数设计该机构由双层弹簧组成，参考一般航空开伞器的设计参数及本飞行器所需条件可初选弹簧参数如下：（1） 弹簧释放力：F放=264.6N（2） 冲程：S冲=70mm（3） 对应时控机构弹簧的行程：S时=4.3mm（4） 大小弹簧力比：F大:F小=2:1（5） 预紧力与释放力关系：F预=0.22F释（6） 弹簧管内径：r内=18.5mm3.3.1.1 大弹簧设计初选大弹簧中径D大=14mm，簧丝直径d大=2mm，由机械设计手册可查得直径为2mm的D级碳素钢弹簧钢丝的拉升强度极限B=19102200MPa，取B=2200MPa。再由机械设计手册可得类弹簧的许用切应力=0.5B=1100MPa，切变模量G取83000MPa。有弹簧的特性可求得最大弹力为：Fmax=F释-F预704.3+F释=277.3N （3.1）弹簧的最大变形为：smax=F预F释-F预70+70+4.3=90.4mm （3.2）由此，大弹簧的最大弹力为：F大max=23Fmax=184.8N （3.3）由强度条件8KC3D2F大max=1166.67 （3.4）及机械设计手册可查得旋绕比C=7.2，由C=Dd可求得d大=1.94mm，略小于估取的簧丝直径，满足强度要求。大弹簧的工作圈数为：n大=Gd大48D大3smaxF大max=34.2 （3.5）所以大弹簧的大径为14mm，簧丝直径为2mm，工作圈数为34.2圈。3.3.1.2 小弹簧设计小弹簧首先需要满足可以放入大弹簧之中，即D小+d小D大-d大=13.5mm （3.6）所以，初选D小=9mm，d小=1.4mm。有机械设计手册可查得为1.4mm的D级碳素钢弹簧钢丝的拉伸强度极限B=21502450MPa，取B=2450MPa。再由机械设计手册可得类弹簧的许用切应力=0.5B=1225MPa，切变模量G取83000MPa。由弹簧的特性可求得最大弹力为：Fmax=F释-F预704.3+F释=277.3N （3.7）弹簧的最大变形为：smax=F预F释-F预70+70+4.3=94.04mm （3.8）由此，小弹簧的最大弹力为：F小max=23Fmax=92.4N （3.9）由强度条件8KC3D2F小max=1073.5 （3.10）及机械设计手册可查得旋绕比C=7.0，由C=Dd可求得d小=1.29mm，小于估取的簧丝直径，满足强度要求。小弹簧的工作圈数为：n小=Gd小48D小3smaxF小max=55.6 （3.11）所以大弹簧的大径为14mm，簧丝直径为2mm，工作圈数为55.6圈。3.3.2 时控机构参数设计时控机构由三级升速齿轮和擒纵调速器组成，根据飞行器应急系统的要求初选参数如下：（1） 延迟时间：t=5.5s（2） 擒纵调速器周期：T=0.032s（3） 擒纵轮齿数：z=20（4） 传动比：i=1383.3.2.1 轮系设计（1）扇形齿轮转角设计由擒纵机构的周期计算公式：T=T1+T2=2J1M1+2J2M2 （3.12）式中：T周期J擒纵叉上所有零件的转动惯量 M1擒纵齿轮与进瓦接触时，对叉轴的力矩 M2擒纵齿轮与出瓦接触时，对叉轴的力矩 1进瓦与擒纵轮接触到脱离，擒纵叉轴转过的角度 2出瓦与擒纵轮接触到脱离，擒纵叉轴转过的角度 可得应急降落系统的总控制时间为：t=360iZT （3.13）对本应急降落装置， i=138（总传动比）Z=20（擒纵轮齿数）T=0.032s（擒纵调速器周期）由已知条件控制时间t=5.5s可得扇形齿轮的工作角度=22.418。（2）传动比的确定由机械设计知识可知圆柱齿轮的单级传动比不宜过大，一般应小于10，所以传动级数选为3级，按照误差最小原则与体积最小原则分配各级传动比。参照机床传动系的设计原则，应遵照“先大后小”的原则，最终选定三级增速的形式。图3.1 轮系结构图各级传动比可定为i=i1i2i3=65.754 （3.13）（3）模数及齿数的选取在应急降落装置中，齿轮传递的力矩较小，可按照结构工艺调节确定，不必进行强度校核。根据四轴飞行器的外廓尺寸可大致确定齿轮的中心距a，再根据所选定的传动比i和齿数z可按下式求出模数。m=2az(i+1) （3.14）综上，三级齿轮的模数及齿数选择如下：第一级：i1=6，m1=0.7，z11=90,z12=15第二级：i2=5.75，m2=0.5，z21=69,z22=12第三级：i3=4，m3=0.5，z31=48,z32=12（4）变位系数的选取由于齿轮齿数小于17，为了保证加工时不发生根切，需采用变位齿轮。第一级：min=17-zz=0.1176，取11=-0.25，12=0.25第二级：min=17-zz=0.294，取21=-0.4，22=0.4第三级：min=17-zz=0.294，取31=-0.4，32=0.4（5） 中心轮参数：传动比i1=6，模数m1=0.7，啮合角1=20齿顶高系数ha*=1，顶隙系数c*=0.25变位系数：大齿轮11=-0.25，小齿轮12=0.25齿数：大齿轮z11=90，小齿轮z12=15中心距：a1=m1(z11+z12)2=36.75mm分度圆直径：大齿轮d11=63mm，小齿轮z12=10.5mm齿根圆直径：大齿轮df11=60.76mm，小齿轮df12=8.96mm齿顶圆直径：大齿轮da11=64.05mm，小齿轮df12=12.25mm基圆直径：大齿轮db11=59.2mm，小齿轮db12=9.867mm分度圆齿厚：大齿轮s11=0.97mm，小齿轮s12=1.23mm（6）棘轮参数传动比i2=5.75，模数m2=0.5，啮合角2=20齿顶高系数ha*=1，顶隙系数c*=0.25变位系数：大齿轮21=-0.4，小齿轮22=0.4齿数：大齿轮z21=69，小齿轮z22=12中心距：a2=m2(z21+z22)2=20.25mm分度圆直径：大齿轮d21=34.5mm，小齿轮z22=6mm齿根圆直径：大齿轮df21=32.75mm，小齿轮df22=5.05mm齿顶圆直径：大齿轮da21=35.1mm，小齿轮da22=7.4mm基圆直径：大齿轮db21=34.42mm，小齿轮db22=5.683mm分度圆齿厚：大齿轮s21=0.64mm，小齿轮s22=0.93mm（7）擒纵轮参数传动比i3=5.75，模数m3=0.5，啮合角3=20齿顶高系数ha*=1，顶隙系数c*=0.25变位系数：大齿轮31=-0.4，小齿轮32=0.4齿数：大齿轮z31=48，小齿轮z32=12中心距：a3=m3(z31+z32)2=15.0mm分度圆直径：大齿轮d31=24mm，小齿轮z32=6mm齿根圆直径：大齿轮df31=22.25mm，小齿轮df32=5.05mm齿顶圆直径：大齿轮da31=24.6mm，小齿轮da32=7.4mm基圆直径：大齿轮db31=20.91mm，小齿轮db32=4.75mm分度圆齿厚：大齿轮s31=0.64mm，小齿轮s32=0.93mm3.3.2.2 制动块的设计制动块作为连接机芯和弹簧的部分，其外形设计直接关系着延时的时间。而在本产品中，制动块的尺寸设计采用图解法。具体如下：图3.2 制动块图解法计算过程如下：y+4.3tan20.42=lcos20.42-y+； （3.15）y+4.3-ycos20.42=l-tan20.42； （3.16）由以上两式，综合解得选取y=8mm时，有l=12.86mm，=4.02mm3.4 本章小结本章对飞行器结构设计中的齿轮轮系、制动块的形状尺寸、弹簧的外径内径等重要零件的尺寸与强度刚度进行了计算与校核。加深了对于机械设计基础理论的理解，同时使得自己在机械设计方面有了更高层次的训练，强化了自身的动手能力与计算设计能力。第四章 四轴飞行器力学分析通过第二章的论述，可对四轴飞行器作如下假设：1).桨叶和机身都是刚性的，忽略由于变形造成的影响，且桨叶弦长b为常数；2).桨叶切面的升力系数沿旋转半径方向的变化符合一般规律3).翼型阻力系数和C和诱导速度v沿桨叶半径不变；4).旋翼轴均垂直于机体平面。4.1 坐标系的建立 对飞行器进行分析时常用坐标系有地面坐标系、机体坐标系、速度坐标系以及旋翼坐标系等，不同坐标系之间通过坐标转换矩阵进行转换。4.1.1 机体坐标系的建立 图4.1 机体坐标系 图4.2 旋翼构造轴系如图4.1所示建立机体坐标系，该坐标系固定于机体之上。原点设在飞行器中心，轴OX与前后旋翼平行，指向前方为正；OZ轴与左右旋翼平行，指向左方为正；轴OZ与轴OX、OY所在的平面垂直，并与轴OX、轴OY组成笛卡尔坐标系。4.1.2 旋翼构造轴系的建立如图4.2旋翼构造轴系所示，旋翼构造轴系是以轮毂中心Osj为原点建立的笛卡尔坐标系，竖轴OsjYsj沿旋翼的构造旋转轴，指向上方为正；纵轴OsjXsj沿构造旋转平面与机身纵向对称面的交线方向，指向机头为正；横轴OsjZsj与OsjYsj、OsjXsj两轴垂直，顺旋翼旋转方向以指向=90方位为正。四轴飞行器由于具有四个旋翼，因此具有四个旋翼构造轴系。4.2 单个旋翼所产生的力及力矩作用在旋翼上的力和力矩，是分析四轴飞行器的平衡与稳定性之重要依据。图4.3 桨叶微段的空气动力学分析4.2.1 单个旋翼的空气动力学分析如图4.3桨叶微段的空气动力学分析所示，以微积分的方法，在旋翼上取一段长度为dr的微段，设旋翼弦长为b，相对气流的和速度为w，仰角为a，根据升力公式，得出桨叶微段的升力为dY=Cy122bdr 4.1 dX=C X122bdr 4.2与旋转平面相垂直的分力dT为桨叶微段的拉力，而在桨叶平面上的分力dQ为该桨叶微段的旋转阻力。设来流角为，则dT=dYcos-dXsin 4.3 dQ=dYsin+dXcos 4.4通常来流角很小，所以dTdY=Cy122bdr 4.5dQdX=Cx122bdr 4.6根据假设1）、2），所以可得具有n片桨叶的单个旋翼的拉力T为：T=0.72nRCy2b0Rrdr=0.72nRCy2bR22 4.7由于=nRR 所以拉力T可以转化为如下形式：T=120.7Cy12R2R2 4.8考虑到桨尖及桨根处存在拉力损失，且桨叶并不是理想扭转等因素，旋翼拉力公式常写成如下形式：T=Cr12（R）3R3 4.9式中：Cr=13Cy为拉力系数，R为桨尖的圆周速度；R2为桨盘面积。上式表示了拉力与桨盘面积、填充系数、升力系数、桨尖圆周速度、空气密度等之间的关系。4.2.2 单个旋翼的阻转力矩叶片微段上与旋转平面相垂直的分力dT产生拉力作用，与此同时落在旋转平面上的旋转阻力dQ将产生阻转力矩dM。dM=rdQ=(dXcos+dYsin)r 4.10对于具有n片叶片，桨盘面积有效系数为k的旋翼，其阻转力矩为：Mk=K0RdXcosr+kn0RdYsinr 4.11式中第一部分为翼型阻力在旋转平面上的分力Xcos形成的阻转力矩；第二部分是由于Vch的存在，使得桨叶升力向后倾斜而形成的，而对于Vch 的大小取决于诱导速度v和升降速度Va 在来流角c很小的情况下r=cos （4.12）sin=Vy+vr 4.13dT=dYcosdY （4.14）所以，Mk=Mx+My+Mpa对该式积分可得Mk=Mx+My+Mpa=mx+my+mpa12R2R3 4.15mx=14Cx为翼型阻力扭转系数，其大小取决于叶片表面的质量和桨叶仰角，叶片表面越粗糙，仰角越大，mx也越大。 my=CyvR为诱导扭转系数 mpa=CrVyR为爬升扭转系数4.2.3 对桨毂的附加力矩分析 如图4.4桨毂的附加力矩所示，可认为桨叶所受合力 Fjx 沿叶片展向，大小约等于离心力Fc。这样，垂直于构造平面的分力Fch=FjxsinFc=Fcn桨叶的 Fch 对桨毂中心构成的力矩沿纵向和横向分解，有Mzga=-Fchspcos 4.16Mxgu=-Fchspsin 4.17 对于具有n片叶片的旋翼而言，旋转一周所产生的力矩Mzgu=n202-Fchspcosd 4.18Mzgx=n202-Fchspsind 4.19由此可以得出，由于在飞行过程中不存在变矩作用，挥舞角度不随方位角的变化而产生变化，所以叶片上上的合力矩Fjx并不会对桨毂产生额外的附加力矩。前面分析了单个旋翼的空气动力和力矩产生的一般表达式，经坐标平移可分别求出各桨翼所产生的空气动力和力矩沿机体坐标系的分量 Fxsji 、Fysji、Fzsji 、Mxsji 、Mysji 、Mzsji （下标j=1,2,3,4）。具体的参数还需要进一步通过实验得出。图4.4 桨毂的附加力矩4.3 机身所产生的力矩对于四轴飞行器，机身就是除去四个旋翼所剩余的部分。Fxsh=-Cxsh12V2Sch 4.20Fysh=-Cysh12V2Sch 4.21Fzsh=-Czsh12V2Sch 4.22Mxsh=mxsh12V2Schlsh+Mx 4.23Mysh=mysh12V2Schlsh+My 4.24Mzsh=mzsh12V2Schlsh+Mz 4.25式中：Cxsh、Cysh、Czsh分别为机身的纵向力系数、升力系数和侧向力系数；Mxsh、Mysh、Mzsh分别为机身对实验重心的滚转系数、偏航力矩系数和俯仰力矩系数、系数的值需要通过试验确定；Ssh机身最大迎风面积；Lsh机身长度Mx、My、Mz由于实验重心与计算重心存在差别而对绕三轴的力矩所加的修正量。4.4 作用在四轴飞行器上的合力与合力矩由于在各个旋翼相互干扰方面缺乏资料参考，还需要做进一步的研究，因此暂时只能单独考虑旋翼和机身的作用得到飞行器上受到的总的力与力矩如下：式中FxG、FyG、FzG为飞行器有俯仰角c和倾斜角d时，重力在机体轴上的分量，其中：FxG=-G*sinFyG=-G*cos*cosFzG=G*cos*sin机体坐标系的原点在四轴飞行器中心，所以： MG=0Nm 。4.5 本章小结本章对四轴飞行器的空气动力学特性做了初步的分析、探讨，分析了四轴飞行器与单旋翼机的不同之处，利用常规直升机的空气动力学理论，对四