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四翼火情探測(cè)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)
摘要
四軸飛行器目前屬于火熱的可垂直起落的飛行器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)力強(qiáng)大、可用的行業(yè)范圍大并且飛行時(shí)可靠性高，各種專(zhuān)業(yè)程度高的飛行器被各行各業(yè)所喜愛(ài)，因此，主流研究其專(zhuān)業(yè)化越來(lái)越密切。本文所設(shè)的無(wú)人機(jī)乃用于觀察森林里的火情，是專(zhuān)行專(zhuān)業(yè)使用的。
本文對(duì)四軸飛行器的機(jī)構(gòu)與原理先行分析，主要是設(shè)計(jì)四軸飛行器的結(jié)構(gòu)部分，通過(guò)對(duì)機(jī)架里的主板、力臂與起落架等機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇合理的碳纖維復(fù)合材料來(lái)構(gòu)造機(jī)架，通過(guò)三維軟件來(lái)建模，組成一個(gè)四軸飛行器的機(jī)架，對(duì)于云臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析，利用齒輪減速機(jī)構(gòu)來(lái)細(xì)分轉(zhuǎn)動(dòng)角度，通過(guò)支架來(lái)支撐攝像機(jī)。
敘述了森林火情探測(cè)的四軸飛行器的設(shè)計(jì)過(guò)程，從動(dòng)力部分、結(jié)構(gòu)部分到控制部分。
關(guān)鍵詞 四軸；飛行器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；碳纖維；機(jī)架；云臺(tái)
Abstract
Four aircraft at present belongs to the hot axis can be vertical take-off and landing aircraft, has the advantages of simple structure, power strong, the available industry when flying range and high reliability, high degree of professional aircraft is enjoyed by all walks of life, therefore, the mainstream study its specialization is more and more closely. The uav used in this paper is used to observe the fire in the forest.
Four axis in this paper, the analysis of the mechanism and principle of aircraft, mainly design of aircraft structure parts, four axis through the frame in the motherboard, lever and the landing gear and other mechanical structure design, selecting rational carbon fiber composite materials to construct the frame, through 3 d software modeling, composed of a vehicle frame, four axis for head machinery design and analysis of the structure, gear reduction mechanism is used to segment the rotation Angle, through a bracket to support the camera.
This paper describes the design process of the four-axis aircraft in forest fire detection, from the power part, the structure part to the control part.
Keywords our-axis aircraft structural design carbon fiber rack head
34
目 錄
摘要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1課題研究的背景及意義 1
1.1.1課題研究的背景 1
1.1.2課題研究的意義 1
1.2四軸飛行器的發(fā)展的狀況 2
1.3本課題的主要研究的問(wèn)題以及各章安排 5
1.4四軸飛行器的結(jié)構(gòu)形式 5
1.5四軸飛行器的飛行原理 6
2動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8
2.1起飛重量的確定 8
2.2電機(jī)方案與選擇 8
2.3螺旋槳的選擇 9
2.4推重比的確定 9
2.5電池的選擇 11
2.6電調(diào)的選擇 12
2.7電池充電器的選擇 13
3機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
3.1機(jī)架結(jié)構(gòu)的方案與選擇 14
3.2機(jī)架材料的選擇 15
3.3主板的設(shè)計(jì) 17
3.4力臂的設(shè)計(jì) 17
3.5起落架的設(shè)計(jì) 18
3.6電機(jī)底座的設(shè)計(jì) 19
4云臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
4.1云臺(tái)結(jié)構(gòu)的方案與選擇 21
4.2減速器設(shè)計(jì) 21
4.2.1X軸上的減速器設(shè)計(jì) 21
4.2.2Z軸減速器設(shè)計(jì) 23
4.3軸的設(shè)計(jì) 24
4.3.1X軸的設(shè)計(jì) 24
4.3.2Z軸的設(shè)計(jì) 24
4.4軸承的選擇 25
4.4.1X軸軸承的選擇 25
4.4.2Z軸軸承的選擇 25
5控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26
5.1飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 26
5.2無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸路的設(shè)計(jì) 29
5.3總體控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 30
結(jié)論 32
致謝 33
參考文獻(xiàn) 34
1 緒論
1.1課題研究的背景及意義
1.1.1課題研究的背景
無(wú)人機(jī)分為固定翼無(wú)人機(jī)和旋翼無(wú)人機(jī)兩大類(lèi)。在過(guò)去幾十年里固定翼無(wú)人機(jī)獲得了迅速的發(fā)展并形成了成熟的技術(shù)線(xiàn)路，曾在美軍海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中扮演了重要角色，充分展示了無(wú)人機(jī)在軍事領(lǐng)域中的突出優(yōu)勢(shì)。與固定翼無(wú)人機(jī)相比，旋翼無(wú)人機(jī)擁有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（1）可垂直起降，不受起飛降落場(chǎng)地限制；（2）受環(huán)境影響小，可在復(fù)雜環(huán)境條件下作業(yè)；（3）操縱靈活、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，可滿(mǎn)足不同飛行工況要求。由于旋翼無(wú)人機(jī)的控制原理較固定翼復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)旋翼無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)的自主控制，使得旋翼無(wú)人機(jī)的發(fā)展較為遲緩。近十幾年來(lái)隨著先進(jìn)材料技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)、控制科學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)等的不斷發(fā)展，使得旋翼無(wú)人機(jī)的開(kāi)發(fā)和研制有了重大突破。
飛行器可用于民用行業(yè)、滿(mǎn)足國(guó)防需求，還可以開(kāi)發(fā)和利用太空資源、進(jìn)行太空操作和相關(guān)試驗(yàn)等，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)飛行器進(jìn)行了大量的研究。飛行器里面的有一個(gè)特殊存在的飛機(jī)有四軸飛行器，它的其他名字有叫四旋翼。也被稱(chēng)為四軸。它的螺旋槳與電機(jī)是直接簡(jiǎn)單聯(lián)系，并且結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)潔。
當(dāng)前四軸飛行器主流還是消費(fèi)級(jí)的產(chǎn)品，眾多飛行愛(ài)好者是其擁有的主力軍?，F(xiàn)在四軸飛行器大量是用于航拍的。目前有許多優(yōu)秀的無(wú)人機(jī)公司對(duì)四軸飛行器的發(fā)展不僅僅是它的硬件的升級(jí)或者是換代，越來(lái)越多的工業(yè)級(jí)，農(nóng)用級(jí)和民用級(jí)等等的四軸飛行器的發(fā)布與研究，未來(lái)的四軸飛行器的發(fā)展方向朝著專(zhuān)業(yè)化分類(lèi)，做到物盡其用，術(shù)有專(zhuān)攻。針對(duì)這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，利用現(xiàn)有的研究結(jié)果來(lái)設(shè)計(jì)用于森林火情探測(cè)的四軸飛行器，設(shè)計(jì)它的機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)，合理的根據(jù)現(xiàn)有的控制板來(lái)裝配，并且設(shè)計(jì)四軸飛行器的云臺(tái)結(jié)構(gòu)部分，豐富四軸的功能。因此研究開(kāi)發(fā)新型的四軸飛行器具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
1.1.2課題研究的意義
本文主要研究的是四軸飛行器的結(jié)構(gòu)，它的應(yīng)用的地方是森林火情的探測(cè)?，F(xiàn)在的四軸飛行器種類(lèi)多，很多公司都開(kāi)發(fā)了自己的四軸飛行器。缺點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)是共同存在的。本文設(shè)計(jì)的四軸飛行器除了自身的結(jié)構(gòu)外面，還要搭載視頻相機(jī)與熱成像機(jī)，通過(guò)參考市場(chǎng)上的類(lèi)似的四軸飛行器來(lái)設(shè)計(jì)與研究。本文通過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定本四軸飛行器帶來(lái)的載荷，從而來(lái)敲定四軸飛行器的電機(jī)需要用的動(dòng)力，根據(jù)這個(gè)來(lái)選擇市面上符合要求的動(dòng)力系統(tǒng)里的各種裝置，以達(dá)到匹配并且不會(huì)浪費(fèi)。再根據(jù)已經(jīng)確定的螺旋槳的尺寸來(lái)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式大體的求得四軸飛行器的軸距，四軸飛行器的機(jī)架的設(shè)計(jì)及里面的主板的設(shè)計(jì)，力臂的設(shè)計(jì)和起落架等等，根據(jù)軸距來(lái)確定基本尺寸。使用三維軟件把設(shè)計(jì)的機(jī)架各部分來(lái)進(jìn)行建模，再把這些零件組裝起來(lái)展示。這些硬件結(jié)構(gòu)有了，還要有軟件來(lái)支撐，這樣四軸飛行器的設(shè)計(jì)才能完整。本文選擇了現(xiàn)有的市場(chǎng)上的優(yōu)秀的飛控系統(tǒng)模塊的選擇，選配適合本文的飛行器，還有各種有效且優(yōu)良的遙控器等等模塊。使得控制系統(tǒng)完善，便于飛行器的應(yīng)用。
本文是對(duì)于四軸飛行器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，用以確定機(jī)架各部分的樣式與尺寸，搭合理的動(dòng)力系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了云臺(tái)的結(jié)構(gòu)部分，使其能夠完成拍攝角度的調(diào)動(dòng)?？梢詤⒖寄峭?lèi)型的四軸飛行器，對(duì)自己的四軸飛行器進(jìn)行改良與設(shè)計(jì)作為基礎(chǔ)。
1.2四軸飛行器的發(fā)展的狀況
四軸飛行器的發(fā)展有歷史可以看見(jiàn)，它的發(fā)跡史也是很有意思的。
(1)1922年由Bothezat研發(fā)而來(lái)的四軸飛行器“飛天章魚(yú)”如圖1.1所展現(xiàn)的，其目的是因?yàn)槊儡姷恼?qǐng)求而開(kāi)發(fā)的，美軍想要能夠完成垂直起落的四軸飛行器，他們直接使用原來(lái)的大小的飛行器。這個(gè)“飛天章魚(yú)”身材巨大，通過(guò)180HP給與的動(dòng)力來(lái)向天空飛行。早期的薄弱技術(shù)支撐只是讓它在這自由的天空中呆了60秒，其到達(dá)的高度緊緊為15.24cm的距離。但是這個(gè)舉動(dòng)為未來(lái)的四軸飛行器的發(fā)展埋下基石，未來(lái)的飛行器更加優(yōu)秀。
圖1-1 Bothezat的“飛天章魚(yú)”
(2)1950年以后，美國(guó)陸軍沒(méi)有放棄對(duì)飛行器的垂直起落的研究與發(fā)展，他們又開(kāi)始研究起來(lái)，不斷的邀請(qǐng)各種優(yōu)秀的專(zhuān)業(yè)人員與行業(yè)進(jìn)來(lái)。Curtiss-Wright 公司為美軍提供技術(shù)支撐與研究，并且加入了“會(huì)飛的吉普車(chē)”飛行器計(jì)劃。公司由此研究開(kāi)發(fā)了VZ-7，如圖1.2所示。這個(gè)產(chǎn)品在1958年中交給了美軍使用。VZ-7設(shè)置有一個(gè)機(jī)身和飛行員的座位，并且有了油箱和飛行控制。在機(jī)身的兩側(cè)旁邊那，飛行器的螺旋槳全部是沒(méi)有蓋子保護(hù)的的(飛行器上一開(kāi)始布置了有裹尸布，然而后期被要求給取消掉了)。飛行器它有四個(gè)螺旋槳。VZ-7的控制原理是通過(guò)改變每個(gè)螺旋槳的推力的大小。這架四旋翼飛行器同樣具有龐大的體積，需要的較大的升力，其每個(gè)旋翼直徑達(dá)8米，有6片槳葉，整機(jī)重量超過(guò)1600kg。其中，由一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的四個(gè)旋翼又可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制，正因如此，這架四旋翼飛行器實(shí)現(xiàn)了升力和姿態(tài)的控制，到1923年年底，以低高度成功試飛了大約100次。但因?yàn)檎麢C(jī)成本太高，操作復(fù)雜和等因素，使得本來(lái)支持研發(fā)的美國(guó)軍方也對(duì)其喪失了研究興趣。雖然美軍的計(jì)劃并沒(méi)有因?yàn)檫@個(gè)產(chǎn)品而得到解決，但是這個(gè)產(chǎn)品的出現(xiàn)使得美軍的計(jì)劃有了明確的未來(lái)和發(fā)展。
圖1-2 Curtiss-Wright的VZ-7
(3)在1990年的早期，美國(guó)工程師Mike Dammar設(shè)計(jì)的四軸飛行器，它是由電池這個(gè)能源來(lái)提供電力的，它叫做Draganflyer,如圖1.3所示。也被稱(chēng)為四軸飛行器的第一代，它為四軸飛行器的未來(lái)發(fā)展證明了對(duì)的方向，未來(lái)四軸飛行器得到了大力發(fā)展，各種四軸飛行器應(yīng)運(yùn)而生。
圖1-3 Draganflyer四軸飛行器
(4)2010年后，由Parrot設(shè)計(jì)的四軸飛行器，它叫AR.Drone，如圖1.4所示。它可以通過(guò)蘋(píng)果的IOS系統(tǒng)的連接WiFi的電子產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)遙控能力。它還搭配了許多個(gè)傳感器模塊，包涵了前置，直立式攝像機(jī)頭與超聲波發(fā)生器。還有三軸加速計(jì)與陀螺儀。法國(guó) Parrot 無(wú)人機(jī)公司是目前國(guó)際上主流的幾家無(wú)人機(jī)公司之一。其開(kāi)發(fā)的四旋翼無(wú)人機(jī)以可使用i Pad、iPhone、iPod Touch上的軟件對(duì)其進(jìn)行控制見(jiàn)長(zhǎng)，可基于自身發(fā)出的Wi-Fi信號(hào)進(jìn)行操控。攝像而得的畫(huà)面會(huì)實(shí)時(shí)傳送到顯示屏上。自動(dòng)駕駛儀可輕松實(shí)現(xiàn)起飛和降落。當(dāng)它與敵人在房間里面埋伏時(shí)發(fā)生戰(zhàn)斗，整個(gè)外殼將保護(hù)它免受沖擊。AR.Drone由碳纖維和高耐PA66 塑料制成。所有部件均可替換，以便簡(jiǎn)單快速維修。但是當(dāng)時(shí)只是定位為一種高科技玩具。輕便、靈活、安全、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)秀的性能，致使它開(kāi)始流行，這也帶動(dòng)了四旋翼飛行器的發(fā)展。在類(lèi)似玩具中，四旋翼飛行器的優(yōu)勢(shì)明顯，相比于尺寸相同的固定翼其飛行更加穩(wěn)定，而相比于尺寸相同的直升機(jī)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低。它也就是四軸飛行器進(jìn)步的階梯以及漸完美的體現(xiàn)。
圖1-4 Parrot的AR.Drone
(5)2013年，國(guó)內(nèi)大疆設(shè)計(jì)的Phantom，如圖1.5所示 ，這是DJI首款可用于空中拍攝的小型Ready-to-Fly垂直起降、一體化多旋翼飛行器，它不僅具有精美外觀，還擁有DJI專(zhuān)業(yè)飛控系統(tǒng)的核心——集成了高壽命、穩(wěn)定的飛行動(dòng)力系統(tǒng)，Naza-M+GPS多旋翼飛控系統(tǒng)，并配置定制的無(wú)線(xiàn)電遙控系統(tǒng)，在出廠前已經(jīng)設(shè)置并調(diào)試所有的飛行參數(shù)及功能。其免安裝、免調(diào)試，可以實(shí)現(xiàn)即刻飛行；易操作、易維護(hù)，讓穩(wěn)定飛行和趣味航拍輕而易舉。
圖1-5 大疆的Phantom
(6)廣州極飛科技有限公司于2018年設(shè)計(jì)的P30型植保機(jī)，如圖1.6所示，它裝了最新型的SUPERX3 RTK 智能化飛控系統(tǒng)和XAI 農(nóng)業(yè)引擎，P30擁有先進(jìn)的工業(yè)設(shè)計(jì)，強(qiáng)大的力量裝置與超高的防水能力，重新定義無(wú)人機(jī)行業(yè)的技術(shù)界限。傳承極飛X的美學(xué)血脈，一體化的機(jī)身主板，封閉式的航電艙體的構(gòu)造，流線(xiàn)型氣動(dòng)布局。P 系列無(wú)人機(jī)材料學(xué)的造詣，將碳鋁復(fù)合技術(shù)發(fā)揮到最完美的地方，搭載SUPERX3 RTK 智能飛控系統(tǒng)，P30的防水性能達(dá)到了前所未有的IP65級(jí)。對(duì)于在于專(zhuān)業(yè)的領(lǐng)域里面使用四軸飛行器而言是至關(guān)重要的，用于未來(lái)四軸飛行器發(fā)展的行業(yè)正在增加。隨著越來(lái)越多的行業(yè)的涉足，將利于四軸的專(zhuān)業(yè)服務(wù)于各個(gè)行業(yè)。
圖1-6 極飛的P30
對(duì)于四軸飛行器的歷史來(lái)看它的發(fā)展，它的市場(chǎng)價(jià)值有目共睹的，它的各項(xiàng)性能的發(fā)展也是越來(lái)越優(yōu)秀，由此可以看出來(lái)在以后的社會(huì)，無(wú)人機(jī)的發(fā)展與應(yīng)有將會(huì)有新的機(jī)遇。
1.3本課題的主要研究的問(wèn)題以及各章安排
本文主要是研究設(shè)計(jì)用于森林火情探測(cè)的四軸飛行器，此四軸飛行器能幫助消防員快速探查森林里的火源，并且它能夠在安全區(qū)域?qū)馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。 攜帶的相機(jī)設(shè)備讓消防隊(duì)更清晰觀測(cè)火勢(shì)蔓延路徑，并評(píng)估可能出現(xiàn)危險(xiǎn)的區(qū)域，指揮者可因這個(gè)來(lái)提前布局，以應(yīng)對(duì)火情的蔓延，能夠使其的決策更加有效率?？梢酝ㄟ^(guò)攜帶的相應(yīng)設(shè)備，讓消防員可通過(guò)紅外圖像識(shí)別濃煙中隱藏的熱點(diǎn)及火源。四軸飛行器的使用，讓消防隊(duì)能更細(xì)致的監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，得到更多的信息?？萍甲屜绬T及時(shí)獲取火場(chǎng)關(guān)鍵信息，并在最短時(shí)間內(nèi)做出判斷。通過(guò)對(duì)四軸飛行器的基本參數(shù)先行確定，再根據(jù)這個(gè)了選擇確定電機(jī)的型號(hào)與大小。動(dòng)力系統(tǒng)的確定，再根據(jù)這個(gè)來(lái)設(shè)計(jì)四軸飛行器的機(jī)架結(jié)構(gòu)，通過(guò)三維軟件來(lái)建模，來(lái)展示四軸飛行器的具體外形和結(jié)構(gòu)。云臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其可以二軸轉(zhuǎn)動(dòng)，水平方向與垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使得探測(cè)范圍靈活與變通。云臺(tái)與攝像設(shè)備的搭配使的能夠大范圍的觀察火情，再選擇優(yōu)秀可靠的控制系統(tǒng)里的部件，為了給無(wú)人機(jī)裝上靈魂與核心。這些東西能夠組成一個(gè)完整的四軸飛行器，并且能夠完成設(shè)計(jì)時(shí)的目的。
本論文共分為六章，每個(gè)章的安排如下：
第一章：課題研究的背景與意義和四軸飛行器的發(fā)展?fàn)顩r以及結(jié)構(gòu)形式與飛行原理
第二章：四軸飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，內(nèi)部模塊的選型
第三章：四軸飛行器的機(jī)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，內(nèi)部各零件的設(shè)計(jì)
第四章：四軸飛行器的云臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，內(nèi)部各零件的設(shè)計(jì)
第五章：四軸飛行器的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，內(nèi)部模塊的選型
第六章：總結(jié)
1.4四軸飛行器的結(jié)構(gòu)形式
直升機(jī)在巧妙使用總距控制和周期變距控制之前，四旋翼結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是一種最簡(jiǎn)單和最直觀的穩(wěn)定控制形式。四軸飛行器的結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)潔明了的安穩(wěn)堅(jiān)牢的控制形式，這樣的形式需要一起同步的來(lái)操縱支配四個(gè)螺旋槳的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。對(duì)于有人駕駛的操控來(lái)說(shuō)是難于登天，因此，對(duì)于我們常見(jiàn)的大型的直升機(jī)來(lái)說(shuō)，沒(méi)有這種多軸形式的。四軸飛行器的螺旋槳的能效率比較低，從個(gè)體上的螺旋槳增添拉力是及其有限制的。因此，使用多個(gè)螺旋槳的結(jié)構(gòu)形式對(duì)于增加四軸飛行器的負(fù)載能力有十分有作用的。四旋翼飛行器采用四個(gè)旋翼作為飛行的直接動(dòng)力源，旋翼對(duì)稱(chēng)分布在機(jī)體的前后、左右四個(gè)方向，四個(gè)旋翼處于同一高度平面，且四個(gè)旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同。螺旋槳1與螺旋槳3逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，螺旋槳2與螺旋槳4順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，四個(gè)電機(jī)也是與螺旋槳相同的安裝方式，飛控板是安裝在主板中間，其結(jié)構(gòu)形式如圖2.1所示。與直升機(jī)相比，四軸飛行器可以實(shí)現(xiàn)的飛行姿態(tài)較少，不過(guò)基本的前進(jìn)、后退、平移等狀態(tài)都可以實(shí)現(xiàn)。但是四軸飛行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比直升機(jī)簡(jiǎn)單，維修和更換的開(kāi)銷(xiāo)也非常小，這讓四軸飛行器有了比直升機(jī)更大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
圖2-1 四軸飛行器的結(jié)構(gòu)形式
1.5四軸飛行器的飛行原理
四軸飛行器的飛行原理，是用改變電機(jī)速度從而來(lái)改變螺旋槳的拉力，這樣便容易控制四軸飛行器的飛行姿態(tài)。因?yàn)轱w行器的起落變化是通過(guò)螺旋槳的速度的改變，這樣就讓它的動(dòng)力溫和，不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)折，這樣便需要長(zhǎng)久的控制法。四軸飛行器是一個(gè)在空間具有6個(gè)活動(dòng)自由度（分別沿3個(gè)坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作），但是只有4個(gè)控制自由度（四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速）的系統(tǒng)，因此被稱(chēng)為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（只有當(dāng)控制自由度等于活動(dòng)自由度的時(shí)候才是完整驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）。不過(guò)對(duì)于姿態(tài)控制本身（分別沿3個(gè)坐標(biāo)軸作旋轉(zhuǎn)動(dòng)作），它確實(shí)是完整驅(qū)動(dòng)的。
四軸飛行器的飛行狀態(tài)如下種類(lèi)，如圖2.2所示的飛行狀態(tài)圖。
1.上下飛行 通過(guò)電機(jī)電流的加大，同步提高四個(gè)螺旋槳的升力，四軸飛行器就會(huì)向上飛行;相反來(lái)說(shuō)，四軸飛行器就會(huì)向下飛行。
2.前后飛行 通過(guò)改變四軸飛行器的仰俯角度，一旦四軸飛行器朝前面傾斜，那么重力與升力相互抵掉消除于垂直方向的分量。
3.左右飛行 通過(guò)改變四軸飛行器的滾轉(zhuǎn)角度，一旦四軸飛行器朝左右傾斜，那么重力與升力相互抵掉消除于垂直方向的分量。
4.仰俯飛行 四軸飛行器按自己的y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，飛行器在低頭飛行時(shí)，它的無(wú)刷電機(jī)1與2會(huì)降低自己的速度，在這個(gè)時(shí)候，電機(jī)3與4就會(huì)提高自己的速度，在這個(gè)情況下，四個(gè)螺旋槳的升力帶來(lái)的反扭矩之間依舊在它們之間抵掉消除。
5.滾動(dòng)飛行 四軸飛行器按自己的x軸轉(zhuǎn)動(dòng)，飛行器在滾動(dòng)飛行時(shí)，它的無(wú)刷電機(jī)3與4會(huì)降低自己的速度，在這個(gè)時(shí)候，電機(jī)1與2就會(huì)提高自己的速度，在這個(gè)情況下，四個(gè)螺旋槳的升力帶來(lái)的反扭矩之間依舊在它們之間抵掉消除。
6.偏航飛行 四軸飛行器按照自己的z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，一旦電機(jī)1與3的速度被加大，那么同一時(shí)刻電機(jī)2與4就要把速度給降低下來(lái)。這種情況下螺旋槳提供的升力不會(huì)因?yàn)檫@樣而抵消它們的反扭矩的，這樣就會(huì)發(fā)生反扭矩的影響，朝順時(shí)針的扭矩就會(huì)產(chǎn)生向右偏航。
圖2-2 四軸的飛行狀態(tài)
2動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1起飛重量的確定
設(shè)計(jì)的開(kāi)始，第一步要明確四軸飛行器的應(yīng)用方向和裝載質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的載重量一般來(lái)說(shuō)有所裝配的探測(cè)設(shè)備等外攜帶物。本四軸飛行器是為了對(duì)森林火情的探測(cè)來(lái)服務(wù)的，其中含電池、飛控和用來(lái)探測(cè)的設(shè)備，估測(cè)質(zhì)量有2000g，為以后可能要攜帶的設(shè)備特殊，其再增添200g，最后裝載質(zhì)量是2200g。
起飛重量的敲定，在沒(méi)有其他的情況下，起飛重量相當(dāng)于設(shè)計(jì)的重量。
四軸飛行器的起飛重量的計(jì)算公式：
（2-1）
式中 ——四軸飛行器應(yīng)用裝載重量；
——四軸飛行器應(yīng)用空重；
——四軸飛行器空機(jī)重量系數(shù)。
起飛重量的估測(cè);首先確定應(yīng)用裝載重量WPL。上文已經(jīng)估測(cè)裝載質(zhì)量為WPL=2200g，接著合理猜測(cè)個(gè)起飛重量的值WTO’。再按下面公式來(lái)計(jì)算WE的試看值WE’。查常見(jiàn)飛行器的相對(duì)重量統(tǒng)計(jì)值的表可得四軸飛行器的空機(jī)重量系數(shù)為0.38。先比較WE’和WE的值,再逐步增加WTO’的數(shù)值，每次增加100g，直到WE和WE’的數(shù)值較靠近。計(jì)算過(guò)程如下表3-1所示。
表3-1 計(jì)算過(guò)程表
WTO’
WE’
WE
3000
800
1140
3100
900
2480
3200
1000
1216
3300
1100
1254
3400
1200
1292
3500
1300
1330
3600
1400
1368
3700
1500
1406
如表3.1所示，當(dāng)WTO’=3500g時(shí)，WE’與WE的數(shù)值最接近。所以四軸飛行器的起飛重量的估測(cè)值為3500g。
2.2電機(jī)方案與選擇
方案1：有刷電機(jī)的選擇，有刷電機(jī)歷史悠久，它具有很簡(jiǎn)單的把電機(jī)工作掌握在自己有能力處理的范圍里，而且它工作時(shí)能穩(wěn)定的進(jìn)行，不會(huì)出現(xiàn)大問(wèn)題。它也能夠帶來(lái)巨大的轉(zhuǎn)矩從而在進(jìn)行爬坡時(shí)能夠不吃力的進(jìn)行，并且表現(xiàn)強(qiáng)。它的開(kāi)啟能力是比無(wú)刷電機(jī)好很多，但是有刷電機(jī)里的齒輪很微細(xì)，而且工作時(shí)間久了就會(huì)受損零件，要想經(jīng)常性工作，就要過(guò)一段時(shí)間來(lái)更換里面的刷子，這樣才能達(dá)到良好的應(yīng)用體驗(yàn)。
方案2：無(wú)刷電機(jī)的選擇，無(wú)刷電機(jī)不同于傳統(tǒng)形式的電機(jī)，它是通過(guò)電路板來(lái)控制改變無(wú)刷電機(jī)的各種工作狀態(tài)。它沒(méi)有了有刷電機(jī)的刷子的機(jī)械換相機(jī)構(gòu)，這個(gè)導(dǎo)致沒(méi)有剛剛方案1的要更換刷子的問(wèn)題，也就沒(méi)有了后期的開(kāi)銷(xiāo)更換零件的問(wèn)題，并且它也沒(méi)有用上減速器，齒輪式的取消造成了不再受動(dòng)力損失的結(jié)果，從而提高電機(jī)的效率。但是它最明顯的缺點(diǎn)就是由于其特殊性，以及造價(jià)成本高，導(dǎo)致它的價(jià)格比傳統(tǒng)的電機(jī)高了太多。
最終參考各種資料，并且將兩種方案細(xì)微比較，最終敲定了第二種方案，采用無(wú)刷電機(jī)，因?yàn)樗妮S飛行器在空中飛行時(shí)需要不斷改變自身飛行情況，所以電機(jī)也要能夠完成同樣的變化，并且也要求了電機(jī)需要工作時(shí)間久和提供動(dòng)力也是比較高。跟相同的電機(jī)，不同的KV值，用的螺旋槳也不一樣，每個(gè)電機(jī)都會(huì)有一個(gè)推薦的螺旋槳。相對(duì)于來(lái)說(shuō)螺旋槳配得過(guò)小，不能發(fā)揮其最大推力；螺旋槳配得過(guò)大，電機(jī)會(huì)過(guò)熱，會(huì)使電機(jī)退磁，造成電機(jī)性能的永久下降。
電機(jī)最大動(dòng)力應(yīng)該是3500g，經(jīng)過(guò)查各種資料，本文選用Tiger-MOTO的MN3508 KV580電機(jī)，如圖3.4所示。3508表示電機(jī)定子的直徑和高度。前面兩位是定子直徑，后面兩位是以毫米為單位的定子高度，KV580代表的是表示KV值是電機(jī)每1V電壓每分鐘的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，其在1V電壓時(shí)為580n/min，10V的電壓下是5800轉(zhuǎn)每分鐘的空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。
2.3螺旋槳的選擇
同一個(gè)型號(hào)的電機(jī)產(chǎn)品，也有不同的KV值，也會(huì)有推薦來(lái)搭配的螺旋槳，相對(duì)而言，螺旋槳太小，無(wú)法發(fā)揮最大推力；如果螺旋槳太大，電機(jī)就會(huì)過(guò)熱，會(huì)把電機(jī)給損壞掉了。上面已經(jīng)選擇的電機(jī)，在其中推薦的配套的螺旋槳選用T-MOTOR的P13*4.4英寸碳纖槳，如圖3.5所示。正反槳各一對(duì)。其13代表槳的直徑是13英寸，也就是330.2mm，4.4代表的是螺距是4.4英寸，也就是111.76mm。螺旋槳參數(shù)如下表3.3所示。
查電機(jī)與螺旋槳匹配參數(shù)表格，如下表3.2可以得到單支P13x4.4漿提供的最大推力為1230g，那么可以來(lái)算，總四個(gè)螺旋槳能提供的總體升力為4920g。（1230*4=4920g）
2.4推重比的確定
推重比是動(dòng)力裝置的推力與飛行器起飛重量的比值。對(duì)于四旋翼飛行器來(lái)說(shuō)，推重比是非常重要的參數(shù)。推重比直接影響飛行器的性能。飛行器的推重比越大，加速越快，可以很快達(dá)到飛行器的最大速度。但是，如果推重比過(guò)大，電機(jī)、電調(diào)和電池都要選用參數(shù)較大的，這樣將導(dǎo)致起飛重量增大，所以推重比選擇適當(dāng)大小即可。理論上，要使四旋翼飛行器能夠起飛，推重比最好能大于1。
推重比：4920/3500=1.41，推重比大于1，理論上，四軸飛行器可以做基本上所有的飛行動(dòng)作。
表3-2 電機(jī)與螺旋槳匹配參數(shù)表
環(huán)境溫度
測(cè)試電壓環(huán)境
恒壓
編號(hào)
電壓
（V）
螺旋槳
油門(mén)
電流
（A）
功率
（W）
拉力
（G）
轉(zhuǎn)速
力效
（G/W)
電機(jī)溫度(℃)
MN3508
KV580
14.8
T-MOTOR
13*4.4CF
50%
2.2
32.56
360
4000
11.06
65%
4.2
62.16
600
5200
9.65
75%
6.1
90.28
770
5900
8.53
85%
8
118.40
910
6500
7.69
100%
9.6
142.08
1050
7000
7.39
50%
2.6
38.48
450
4000
11.69
43
65%
5
74.00
710
5200
9.59
75%
7
103.60
900
5700
8.69
85%
9.3
137.64
1120
6300
8.14
100%
11.3
167.24
1230
6600
7.35
50%
3.7
54.76
600
3800
10.96
55
65%
7
103.60
930
4600
8.98
75%
9.7
143.56
1150
4900
8.01
85%
12.9
190.92
1350
5700
7.07
100%
15.2
224.96
1520
6100
6.76
表3-3電機(jī)基本參數(shù)
螺旋槳型號(hào)
13*4.4（330.2mm*111.8mm）
使用環(huán)境溫度
-40℃-65℃
參考單片重量（g）
14.2g
保存溫度
-10℃-50℃
材質(zhì)
碳纖+樹(shù)脂
保存濕度
<80%
表面處理工藝
打磨面
表現(xiàn)較佳轉(zhuǎn)速段
5000-8000轉(zhuǎn)/分鐘
屬性歸類(lèi)
一體槳
極限拉力
4.5kg
表3-4 螺旋槳基本參數(shù)
電阻
110m?
槽極
12N14P
軸徑
4mm
電機(jī)尺寸
Φ41.8*26.5mm
矽鋼片外徑
35mm
矽鋼片高度
8mm
線(xiàn)號(hào)
18＃
線(xiàn)長(zhǎng)
600mm
電機(jī)重量（含線(xiàn)）
103g
電機(jī)重量（不含線(xiàn)）
82g
支持鋰電
3-4S
空載電流
0.4A
最大功率
400W
最大電流
18A
圖3-4 電機(jī)圖
圖3-5 螺旋槳圖
2.5電池的選擇
電池容量的正確配置是四軸飛行器的飛行性能和續(xù)航有著重要的保證的前提，電池容量過(guò)于低時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致四軸飛行器在空中執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間，從而會(huì)影響火情探測(cè)過(guò)程，會(huì)引發(fā)嚴(yán)重后果。電池容量過(guò)于高時(shí)，它本身的重量也會(huì)增大，在滿(mǎn)足任務(wù)所需要的續(xù)航時(shí)間下，可以合理選質(zhì)量較輕的。
由于四軸飛行器在飛行中有不同的飛行狀態(tài)，不同的狀態(tài)有著不同的功耗，導(dǎo)致不能明確確定總體的所需電量。探測(cè)火情時(shí)，四軸飛行器大部分處于懸停狀態(tài)下工作，所以采取懸停時(shí)電機(jī)功率來(lái)大體計(jì)算電池電流和容量。
本文最終來(lái)選定格氏的鋰電池，它的基本信息為6600mAh、4s、14.8V、35C。6600mAh，意味著電池可以放一小時(shí)的6.6A電流。35c代表這個(gè)電池最大的持續(xù)電流就是=6.6*35=231A。參數(shù)如下表3-6所示。
表3-6 電池的基本參數(shù)
電芯
格氏ACE鋰電芯
電芯組合方式
4S2P
容量
6600mAH
電壓
14.8V
持續(xù)放電倍率
35C
峰值放電倍率
70C
體積(近似數(shù)據(jù)，單位：毫米)
長(zhǎng)
140
寬
85
厚
29
重量（近似數(shù)據(jù)，單位：克）
720
出線(xiàn)（近似數(shù)據(jù)，單位：毫米）
出線(xiàn)接口
xt60主電力線(xiàn)頭、4S平衡頭
主電力線(xiàn)長(zhǎng)度
106
平衡線(xiàn)長(zhǎng)度
75
電池的正確用法有以下要點(diǎn)。
1.不過(guò)放。不要每次都將電池容量限制在電池極限，這很容易損壞電池壽命。
2.不過(guò)充。充電時(shí)，電池根據(jù)充電的C電池?cái)?shù)量或低于C的數(shù)量進(jìn)行充電，并且不能超過(guò)電流。
3.不滿(mǎn)電保存。滿(mǎn)電不用，時(shí)間一久，容易報(bào)廢電池。
4.不損壞外皮。電池的外皮是防止電池爆炸和漏液起火的重要結(jié)構(gòu)。
5.不短路。短路會(huì)導(dǎo)致電池打火或者發(fā)生爆炸事故。
6.不著涼。電池長(zhǎng)時(shí)間在低溫放置，它的放電性能會(huì)降低，如果在這種情況下飛行會(huì)出現(xiàn)安全隱患。
2.6電調(diào)的選擇
電調(diào)，全稱(chēng)電子調(diào)速器，英文Electronic Speed Control，簡(jiǎn)稱(chēng)ESC。它有有刷和無(wú)刷，本文選擇的是無(wú)刷。它根據(jù)控制信號(hào)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。其中控制信號(hào)由飛行控制器提供。本文最終敲定了AIR 40A以匹配選定的電機(jī)和螺旋槳，電調(diào)能夠提供的電流是40A。大電流的電調(diào)可以兼容用在小電流的地方，小電流電調(diào)不能超標(biāo)使用。電調(diào)參數(shù)如表3.7所示。
表3-7 電調(diào)參數(shù)
型號(hào)
當(dāng)前電流
峰值電流（10s）
標(biāo)準(zhǔn)
鋰聚合物
編程項(xiàng)目
重量
尺寸（長(zhǎng)寬高）
AIR 40A
40A
60A
無(wú)
2-6S
調(diào)速（中/高）
26g
55.6*25.2*11.3mm
對(duì)于它們的連接，如圖3.8所示，一般情況下是這樣的：
1、電調(diào)的輸入線(xiàn)與電池連接；
2、ESC的輸出線(xiàn)（3個(gè)無(wú)刷）連接到電機(jī)；
3、ESC信號(hào)線(xiàn)與接收器相連。
圖3-8 電調(diào)連接圖
2.7電池充電器的選擇
通過(guò)對(duì)已選擇的電池，充電器的充電能力應(yīng)該適合已選電池的要求，最終確定選擇格氏的SKYRC B6充電器。參數(shù)如表3.9所示。
B6充電器，它是一個(gè)有著許多功能的充電器，它支持雙輸入充放電。它支持的充電電池種類(lèi)包括：Li-ion、Li-Poly、Li-Fe、NiCD、NiMh和Pb， 涵蓋了主流的可充電電池種類(lèi)。同時(shí)它還具有放電功能，放電電流為1A。本產(chǎn)品同時(shí)內(nèi)置聚合物鋰電池平衡器，可以對(duì)2串、3串、4串、5串、6串聚合物鋰電池進(jìn)行平衡充電，令充電效果更好。機(jī)身側(cè)面設(shè)計(jì)有溫度傳感器接口。B6采用了一個(gè)帶背光的點(diǎn)陣液晶顯示器，可以顯示操作菜單和充電狀態(tài)，方便直觀，同時(shí)也美觀。
表3-9 充電器基本參數(shù)
輸入電壓
直流12V-16V或交流220V轉(zhuǎn)直流12V/5A
充電電流
0.1-5A,步進(jìn)0.1A
放電電流
0.1-1A,步進(jìn)0.1A
可充N(xiāo)icd/NiMH電池節(jié)數(shù)
1-15節(jié)
可充Li-Ion -Po -Fe電池節(jié)數(shù)
1-6節(jié)
可充Lead-acid(Pb)電池節(jié)數(shù)
2-20V
平衡充節(jié)數(shù)
二~六節(jié)
電壓精度
0.01V
散熱方式
金屬外殼散熱
顯示
16X2字符型LCD顯示屏
重量
580克
外形尺寸
133X87X33mm
四軸的動(dòng)力系統(tǒng)在于通過(guò)螺旋槳、馬達(dá)、ESC和電池（電池充電器）組合。它給四軸提供動(dòng)力用以飛行，給其他裝置提供電量。
3機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
四軸飛行器的機(jī)架是四軸機(jī)械結(jié)構(gòu)的主體也是骨架，其他的裝置都是安裝在機(jī)架上的所以，對(duì)于四軸飛行器來(lái)說(shuō)，機(jī)架有著獨(dú)一無(wú)二的重要性。
由于四軸的結(jié)構(gòu)，四軸的整體結(jié)構(gòu)布局是設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)時(shí)需要解決的一個(gè)問(wèn)題，在初級(jí)設(shè)計(jì)過(guò)程里，不可以只是用解析的方法來(lái)設(shè)計(jì)四軸飛行器總體布局，現(xiàn)在有的四軸飛行器的機(jī)架設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)比較固定，查資料可知有“X”型，如圖4.1所示?！笆弊中?，如圖4.2所示，和“環(huán)型”，如圖4.3所示，無(wú)論是“X”型、“十”字型還是環(huán)型布局都是隨著四軸飛行器的發(fā)展和時(shí)間檢驗(yàn)過(guò)的，穩(wěn)定性是非常高。其中，就“X”型和“十”字型相比較，它們的結(jié)構(gòu)有著異曲同工之處，相對(duì)來(lái)說(shuō)“X”型的機(jī)動(dòng)性更上一層樓。
圖4-1 四軸“X”型 圖4-2 四軸“十”型 圖4-3 四軸“環(huán)型”
3.1機(jī)架結(jié)構(gòu)的方案與選擇
方案1：“十”型的選擇，它的前進(jìn)工作時(shí)的轉(zhuǎn)向和四軸飛行器里面的電機(jī)們的轉(zhuǎn)向是相同的，沒(méi)有差別?！笆毙惋w行器飛行時(shí)更加容易，然而它的機(jī)動(dòng)性不行，不能夠善于應(yīng)變，拘泥。如果要裝別的傳感器的模塊時(shí)，并不是很容易，相反有些是不簡(jiǎn)單的。導(dǎo)致功能不全，影響某些應(yīng)用。
方案2：“X”型的選擇，“X”型飛行器的飛行狀態(tài)需要非常優(yōu)秀的能力來(lái)改變控制，它的操作系數(shù)相對(duì)于來(lái)說(shuō)很高，就這樣造成它的機(jī)動(dòng)性很好，能夠優(yōu)秀的展示飛行效果。它的飛行方向被隨意變動(dòng)也是對(duì)它來(lái)說(shuō)沒(méi)有影響，也是容易的。傳感器裝在上面也是非常方便，不會(huì)出現(xiàn)妨礙飛行器的工作與應(yīng)用。
查閱大量資料和兩種方案的各方面對(duì)比，最后決定采用第二中方案來(lái)實(shí)行，因?yàn)椤癤”型的四軸飛行器的性能滿(mǎn)足本文所設(shè)計(jì)的飛行器的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)所與性能要求。
由于確定了是“X”型飛行器，所以最終采用了“X”型的機(jī)架形式，螺旋槳1與螺旋槳3以逆時(shí)針的方向開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，并且螺旋槳2螺旋槳4也以逆時(shí)針的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，在四軸飛行器的飛行狀態(tài)處于平衡情況下，螺旋槳帶來(lái)的扭矩會(huì)被在彼此之間抵擋消除。同一情況下，可以用改動(dòng)螺旋槳的速度的方法，使螺旋槳的升力發(fā)生變化。這樣的話(huà)，四軸飛行器就可以完成種種飛行動(dòng)作。這四個(gè)螺旋槳的升力被變多或是變少的時(shí)候，會(huì)讓四軸飛行器完成筆直升起或者降落；當(dāng)螺旋槳1與螺旋槳2的升力被發(fā)生變少或是變多的時(shí)候，同時(shí)螺旋槳3與螺旋槳4的升力被發(fā)生變多或是變少的時(shí)候，就會(huì)讓四軸飛行器發(fā)生前進(jìn)（撤退）或者低頭（抬頭）的飛行動(dòng)作；當(dāng)螺旋槳1與螺旋槳3的升力被發(fā)生變多或是變少的時(shí)候，并且當(dāng)螺旋槳2與螺旋槳4的升力被發(fā)生變少或是變多的時(shí)候，就會(huì)讓四軸飛行器發(fā)生偏離了航向的飛行動(dòng)作。如表4-4所示。
表4-4 螺旋槳速度控制表
槳1
槳2
槳3
槳4
前進(jìn)
↓
↓
↑
↑
升起
↑
↑
↑
↑
偏航
↑
↓
↑
↓
俯仰
↓
↓
↑
↑
機(jī)架的的形式已經(jīng)確定，緊跟著要把軸距的尺寸確定下來(lái)，是為了防止四個(gè)螺旋槳在工作時(shí)發(fā)生碰撞，以導(dǎo)致安全事故。這里選擇的是上面已經(jīng)確定下來(lái)的T-MOTOR的P13x4.4英寸碳纖槳。在這里，根據(jù)四軸機(jī)架的軸距經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定機(jī)架的軸距。
（3-1）
式中 ——四軸飛行器機(jī)架的軸距（mm）
——螺旋槳的英寸
已知道為13英寸，可以通過(guò)公式求得為583.72mm，為了方便確定軸距，在這里，把四軸飛行器的軸距定為600mm。
3.2機(jī)架材料的選擇
首先，應(yīng)該指出的是，四軸的基本重量是受四軸機(jī)架的重量的影響，這意味著它決定了四軸的大體重量。而從側(cè)面直接對(duì)四軸的載重和飛行時(shí)間變化起了很大的作用。從頭說(shuō)起那就是機(jī)架的重量帶來(lái)的影響，從本質(zhì)來(lái)說(shuō)那就是機(jī)架的材料的不同，對(duì)于四軸飛行器的機(jī)動(dòng)性有著很大的影響。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)架的材料有著下面幾類(lèi)。
1塑膠機(jī)架
塑膠機(jī)架，它的材料就是用塑膠這個(gè)材料制作而成的機(jī)架。它的最直接的特點(diǎn)是它的強(qiáng)度與剛度有一定范圍的適中度，并且又有一定范圍的可彎曲度。它是比較便宜好用的材料，一般用于航模飛行使用的機(jī)架。
2 玻璃纖維機(jī)架
玻璃纖維強(qiáng)度會(huì)比塑膠材料的要高點(diǎn)。所以由于它有著高的強(qiáng)度，它一般做成長(zhǎng)形管道形。和其他的材料相比，它只要很少的材料制作，從而使整個(gè)機(jī)架減輕了。它是一種性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)非金屬材料，種類(lèi)繁多，優(yōu)點(diǎn)是絕緣性好、耐熱性強(qiáng)、抗腐蝕性好，機(jī)械強(qiáng)度高，但缺點(diǎn)是性脆，耐磨性較差。
3 碳纖維機(jī)架
碳纖維與玻璃纖維有著異曲同工之妙。目前整個(gè)無(wú)人機(jī)行業(yè)里，高端無(wú)人機(jī)大部分采用碳纖維材料。它提供高強(qiáng)度和輕重量。碳纖維的機(jī)架在無(wú)人機(jī)材料里面有更大的光明的未來(lái)，一般來(lái)說(shuō)，碳纖維比其他普通材料的價(jià)格相比來(lái)說(shuō)貴，相比而言，使用碳纖維可以減輕機(jī)架的重量又不降低其需要的強(qiáng)度與剛度。
4 合金機(jī)架
合金制作而成的機(jī)架，它的硬度與剛度有一定高的保證，但是合金一般來(lái)說(shuō)密度高和質(zhì)量重，這樣帶來(lái)的是四軸飛行器的載荷的加重，這導(dǎo)致了各種問(wèn)題阻礙了四軸的發(fā)展和突破。
經(jīng)過(guò)分析和查看市面上各種相似四軸飛行器的資料后，本文選用碳纖維材料來(lái)制作四軸飛行器的機(jī)架。
碳纖維機(jī)架的優(yōu)點(diǎn)：
（1）密度小，質(zhì)量輕。其密度與鎂和鈹基本相當(dāng)，是其他幾種金屬材料密度的0.20～0.57 倍，一般來(lái)講，采用碳纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)件材料可使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕30%～40%。
（2）碳纖維復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度和高比模量。通過(guò)參照比模量（彈性模量比密度）和比強(qiáng)度（材料的拉伸強(qiáng)度比密度）系數(shù)，可以明顯看出其與金屬材料在輕質(zhì)高強(qiáng)方面表現(xiàn)出良好特性：碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度是鋁合金材料之5 倍；比模量則是其它結(jié)構(gòu)材料的1.3～12.3倍。
（3）良好的抗疲勞特性。通常情況下，復(fù)合材料的抗疲勞性往往較金屬材料高很多。已知道的金屬材料的疲勞強(qiáng)度的極限的百分之40到百分之50，而碳纖維復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度的極限是上面的百分之70到百分之80，兩組數(shù)據(jù)明顯體現(xiàn)出，如碳纖維復(fù)合材料的機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期處于交變載荷工作條件下，它的壽命必然高于金屬材料的機(jī)構(gòu)。
（4）振性能好。受力構(gòu)件的固有頻率不僅與其幾何尺寸、結(jié)構(gòu)形狀有關(guān)，還與其比模量的平方根成正比。上述的優(yōu)點(diǎn)（2）里面已經(jīng)分析得知，碳纖維復(fù)合材料的固有頻率也高于金屬材料。復(fù)合材料里面有許多的基體-纖維界面相，它具有強(qiáng)大的吸振能力。所以其擁有較高的抗振能力。
查資料研究后，本文采用東麗公司的碳纖維材料里進(jìn)行選擇匹配，在產(chǎn)品表4.5里進(jìn)行挑選。最后機(jī)架材料采用日本東麗的碳纖維T300-3000。它的參數(shù)如表4-5所示。
表4-5 東麗碳纖維產(chǎn)品基本參數(shù)
產(chǎn)品
特征
關(guān)鍵應(yīng)用行業(yè)
T1100G
高強(qiáng)度高模量
主要飛機(jī)結(jié)構(gòu)，發(fā)射火箭，運(yùn)動(dòng)
T1000G
高強(qiáng)度和中等模量
發(fā)射火箭,體育
T800S
高強(qiáng)度和中等模量
主要飛機(jī)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)
T700S
高強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)模量
主要飛機(jī)結(jié)構(gòu)，一般工業(yè)，體育
T300
標(biāo)準(zhǔn)模
二級(jí)飛機(jī)結(jié)構(gòu)，一般工業(yè)，體育
表4-6 碳纖維材料基本參數(shù)
產(chǎn)品編號(hào)
長(zhǎng)絲數(shù)
抗拉強(qiáng)度（Mpa）
抗拉強(qiáng)度（KGF/mm）2）
拉伸模量（GPA）
拉伸模量（KGF/mm）2）
伸長(zhǎng)率（％）
單位長(zhǎng)度Tex（g/1000米）
密度（克/厘米）3）
T300-3000
3000
3530
360
230
23500
1.5
198
1.76
四軸的機(jī)架一般是由上主板、下主板、電機(jī)的托架和力臂等組成。
3.3主板的設(shè)計(jì)
四軸飛行器的機(jī)架結(jié)構(gòu)中，主板是有特殊意義的存在。它是與力臂喜歡連接，形成“X”型飛行器。它承受從螺旋槳給與的拉力，通過(guò)力臂傳輸過(guò)來(lái)。并且外載設(shè)備也是裝在主板上的。同時(shí)飛控核心與電池也是安裝在主板上。四軸飛行器的起落架也是安裝在上面，主板通過(guò)它來(lái)接受來(lái)自落地時(shí)的沖擊力。本文設(shè)計(jì)的四軸飛行器的上主板如圖4.7所示，下主板如圖4.8所示。
主板是有著140*140mm的長(zhǎng)寬尺度，厚度為6mm。
圖4-7 上主板三維圖 圖4-8 下主板三維圖
3.4力臂的設(shè)計(jì)
四軸飛行器的力臂是用于承載螺旋槳與電機(jī)的地方，流行的力臂形狀有圓柱型與方型。圓柱型搭載電機(jī)是用外面的管來(lái)夾住的，這樣會(huì)導(dǎo)致一旦慣性加多，這樣的固定方式會(huì)產(chǎn)生松開(kāi)的跡象，影響四軸飛行器的安全，造成不可挽回的損失。本文選擇方型的力臂，方型固定電機(jī)是用了電機(jī)的底座與方型直接連接，之間用了螺栓連接固定，這樣安全可靠，結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)潔明了。
本飛行器上面已經(jīng)確定了軸距尺寸。軸距為600mm，主板尺寸為140mm。
（3-2）
式中 ——四軸飛行器的力臂尺寸（mm）
——四軸飛行器的軸距尺寸（mm）
——四軸飛行器的主板尺寸（mm）
由公式可算出力臂長(zhǎng)度應(yīng)該取230mm。如圖4-9所示。
圖4-9 力臂三維圖
3.5起落架的設(shè)計(jì)
起落架對(duì)于四軸來(lái)說(shuō)，它是四軸在起飛前與地面接觸的地方，為了能讓四軸平穩(wěn)的起飛或者是落地。它是用于保護(hù)四軸飛行器，以便于保證四軸能夠正常工作的保護(hù)傘。
本文所設(shè)計(jì)的起落架是倒U字型。
本文已經(jīng)設(shè)計(jì)起落架的基礎(chǔ)尺寸，如圖4.10所示，它的長(zhǎng)寬為197mm*158mm，它的厚度為16mm。它通過(guò)兩根上支撐圓柱桿來(lái)裝置用于完成任務(wù)的設(shè)施，兩根下支撐圓柱桿來(lái)穩(wěn)定起落架與四軸飛行器，上支撐桿的長(zhǎng)度為160mm，截面為直徑為5mm的圓，如圖4.11所示。而下支撐桿的長(zhǎng)度為240mm，截面為直徑為5mm的圓，如圖4.12所示。它們與兩個(gè)起落架組合，形成一個(gè)完整的四軸飛行器用的起落架。
考慮到與地面接觸的兩個(gè)下支撐桿的受力與平穩(wěn)情況，在支撐桿上裝有抗振裝置。它的目的是為了吸收振動(dòng)，減輕結(jié)構(gòu)受到力的沖擊，從而達(dá)到保護(hù)的作用。本文設(shè)計(jì)一個(gè)抗振的圓柱形空心套筒，它的橫截面大圓的直徑為7mm，橫截面小圓的直徑為5mm，長(zhǎng)度為30mm，如圖4.13所示?？偣菜膫€(gè)分別裝在兩個(gè)下支撐桿的兩端，這樣能夠有效的達(dá)到抗振的要求，從而提高四軸飛行器的安全系數(shù)。這里的抗振空心套筒采用了丁基橡膠作為材料。
丁基橡膠的優(yōu)點(diǎn)：
1.氣密性好。
2.耐熱性，耐老性?xún)?yōu)良。
3.吸振性能優(yōu)秀，可作為高聚物吸吸振材料。
4.對(duì)陽(yáng)光和臭氧具有良好的抵抗性。
綜合本文設(shè)計(jì)的四軸飛行器所處的工作環(huán)境，丁基橡膠符合制作抗振空心套筒的要求。
圖4-10 起落架三維圖 圖4-11 上支撐桿三維圖
圖4-12 下支撐桿三維圖 圖4-13 抗振套三維圖
3.6電機(jī)底座的設(shè)計(jì)
電機(jī)底座顧名思義就是電機(jī)所在的底座，它是電機(jī)與力臂末端之間的連接件。它的基本尺寸為70mm*70mm，如圖4-14所示。
圖4-14 電機(jī)底座三維圖
本文設(shè)計(jì)的四軸飛行器的機(jī)架部分，通過(guò)proe畫(huà)出各部分零件的三維圖，再通過(guò)proe進(jìn)行組裝，構(gòu)成一個(gè)完整的機(jī)架，如圖4.15所示。
圖4-15 機(jī)架三維建模圖
本章設(shè)計(jì)的四軸的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，它的合理設(shè)計(jì)能夠整成一個(gè)四軸的骨架，以便于其他的模塊的安裝，與承受各種扭矩。也是整個(gè)四軸的基礎(chǔ)工程。
4云臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的四軸飛行器主要用于探測(cè)森林火情，裝載了熱成像設(shè)備，為了能夠完成對(duì)火情全方面的跟蹤與探測(cè)，攝像裝置需要能夠受操作者自由控制來(lái)調(diào)動(dòng)拍攝方向，這樣才能完成要求，所以本文要設(shè)計(jì)一種云臺(tái)，能夠讓設(shè)備安裝在上面，并且為設(shè)備提供拍攝范圍。
4.1云臺(tái)結(jié)構(gòu)的方案與選擇
方案1：球形云臺(tái)。它是一種三腳架形式的結(jié)構(gòu)，它是以球體為中心來(lái)用旋轉(zhuǎn)桿來(lái)改變球體的位置變動(dòng)，其位置變動(dòng)先讓其運(yùn)動(dòng)，確定方向后固定。它的操作性十分容易，但是它的載重能力并不出色，有點(diǎn)偏弱。它的調(diào)動(dòng)范圍一下子比較大，無(wú)法快速細(xì)微調(diào)制，并且球形中心這個(gè)部件易粘灰塵與細(xì)小顆粒，這樣會(huì)造成球面運(yùn)動(dòng)會(huì)受到阻礙，并且會(huì)損壞。
方案2：二軸云臺(tái)，它是一種通過(guò)二個(gè)不同空間方向的固定件來(lái)改變攝像方向的，它最明顯的就是載重能力優(yōu)秀，這樣便于攜帶高質(zhì)量的設(shè)備，并且這種構(gòu)件的微調(diào)能力優(yōu)秀，可以準(zhǔn)確的把握方向，做到細(xì)致的追蹤。
根據(jù)資料各方面比較，最終采用了方案1，傳統(tǒng)的有固定式與電動(dòng)式，由于本文設(shè)計(jì)的特殊要求，選擇電動(dòng)式的，這樣就增大了設(shè)備的探測(cè)范圍，提高設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的效率與能力。所以本文設(shè)計(jì)了一種二軸式的云臺(tái)機(jī)構(gòu)，它能夠垂直轉(zhuǎn)動(dòng)與水平轉(zhuǎn)動(dòng)。從而能夠?qū)崿F(xiàn)拍攝的自由與精確。它是二軸形式的，云臺(tái)的轉(zhuǎn)向方向?yàn)閄與Z軸上的，動(dòng)力來(lái)源通過(guò)電機(jī)，然后使用齒輪減速器，用它來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，X軸與齒輪連起來(lái)是通過(guò)軸承，為角接觸。Z軸使用的軸承為滑動(dòng)。
4.2減速器設(shè)計(jì)
4.2.1X軸上的減速器設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)條件：i=4，n2max=20r/min，m=1mm。
本文的云臺(tái)減速器選擇了單級(jí)圓柱齒輪的形式。本節(jié)的圖表來(lái)自參考文獻(xiàn)[6]。
（1）類(lèi)型選擇：由于傳動(dòng)的載荷較低，采用了直齒式。
（2）材料選擇：小齒輪：40cr調(diào)質(zhì)，硬度為217~255；大齒輪：45鋼調(diào)質(zhì)，硬度為241~286
（3）精度確定：一般是8級(jí)，精切為7級(jí)，為了符合要求，這里為7級(jí)
（4）齒數(shù)計(jì)算：Z1=18,Z2=18*i=18*4=72
1.齒根疲勞強(qiáng)度校核
(4-1)
(4-2)
在公式1里面，；其中，取自表10-2；最大轉(zhuǎn)速為0.33r/s，由圖10-8可知由表10-3可知。取自表10-4，取自圖10-13。最后求得：。
，由表10-17與表10-18得知；
∵
；；其值根據(jù)圖10-22來(lái)得知的。
取自圖10-24。
(4-3)
取最大的，為4.9MPa；取最小的，為272.8MPa。
∵,∴它是滿(mǎn)足要求的。
∵mm，其滿(mǎn)足了要求。
2.齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核
(4-4)
(4-5)
，取自表10-5。
由圖10-23得知。由圖10-25里面得到。
(4-6)
∴
取最小的為349.6MPa，∵∴其是可靠安全的。
，∴它也是符合的。
因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的垂直轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍為±45°，所以不需要采用圓形的大齒輪，從而可以考慮扇形齒輪，它的角度為12°。
4.2.2Z軸減速器設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)條件：i=3.75，n2max=2r/min，m=1mm
其減速器選擇了單級(jí)圓柱齒輪的形式。
（1）類(lèi)型選擇：由于傳動(dòng)的載荷較低，采用了直齒式。
（2）材料選擇：小齒輪：40cr調(diào)質(zhì)，硬度為217~255；大齒輪：45鋼調(diào)質(zhì)，硬度為241~286
（3）精度確定：一般是8級(jí)，精切為7級(jí)，為了符合要求，這里為7級(jí)
（4）齒數(shù)計(jì)算:Z1=20,Z2=20*i=20*3.75=75
1.齒根疲勞強(qiáng)度校核
依靠上節(jié)X軸計(jì)算過(guò)程一樣，
得；；。
根據(jù)公式（4-1）得：
，取得上述的最大的為10.4MPa。
∵∴其是符合安全標(biāo)準(zhǔn)的。
根據(jù)公式（4-2）得：
∴其是符合要求的。
2.齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核
根據(jù)公式（4-4)得：
∵
∴
∴符合要求。
根據(jù)公式（4-5)得：
∴也符合要求。
4.3軸的設(shè)計(jì)
4.3.1X軸的設(shè)計(jì)
X軸它是承受了轉(zhuǎn)矩與彎曲力，因此只要進(jìn)行彎扭組合的強(qiáng)度來(lái)算。
所以它的強(qiáng)度為：
∵
初設(shè)承受的重量為1000g，,，
∵
∴其是在強(qiáng)度承受之內(nèi)的。
4.3.2Z軸的設(shè)計(jì)
Z軸是會(huì)有兩個(gè)，上軸是軸向拉力的承受處，下軸是軸向拉伸與扭矩的承受處。
上軸的強(qiáng)度條件：
∵設(shè)承受的重量為40N，
∴其滿(mǎn)足要求。
下軸的軸向拉伸強(qiáng)度如上:
∵設(shè)要承受的重量為30N，
∴其滿(mǎn)足要求。
下軸承受的扭矩條件為：
∴
∴其滿(mǎn)足要求。
4.4軸承的選擇
4.4.1X軸軸承的選擇
因?yàn)檩S是小型的，為了它能夠快速有效的安裝，這里采用了滑動(dòng)軸承。這里將使用粘度等級(jí)為100的潤(rùn)滑油。
4.4.2Z軸軸承的選擇
因?yàn)閆軸的需求，這里采用了角接觸型的軸承。軸承與軸用了間隙配合來(lái)使用，通過(guò)螺母與墊片來(lái)固定。
5控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
四軸飛行器的核心就是控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的有駕駛員駕駛的飛行器與它最大的不一樣就在這個(gè)地方，四軸飛行器要能穩(wěn)定的運(yùn)行，還有對(duì)于搭載的設(shè)備的控制還有能夠自己對(duì)于突發(fā)情況的對(duì)待解決這些主要功能。其中涵蓋了飛控，無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，地面接收站這些大的系統(tǒng)，它們之間相輔相成，共同合作，以達(dá)到對(duì)四軸飛行器的飛行操作支配。它的模擬圖如圖5.1所示。
圖5-1 控制系統(tǒng)模擬圖
5.1飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
飛控系統(tǒng)是四軸飛行器的核心，也是其大腦部位。飛控系統(tǒng)里包含了各種模塊，有主控制的，傳感器的，gps定位的和電源的等等這些東西。主體模