科技創(chuàng)新論文-四軸航拍飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　航空制造工程學(xué)院</b></p><p><b>　　創(chuàng)新能力綜合訓(xùn)練</b></p><p>　　研 究 報(bào) 告</p><p>　　題 目： 四軸航拍飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì) </p><p>　　所屬課題： 四軸航拍飛行器的設(shè)計(jì) </p

2、><p>　　學(xué) 院： 航空制造工程學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)名稱： 飛行器制造工程 </p><p>　　班級(jí)學(xué)號(hào)： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　合 作 者： </p>

3、<p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　二O一五年 十一月 </p><p><b>　　主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)思想：</b></p><p>　　四軸飛行器的攝像頭通過圖傳發(fā)射器將信號(hào)發(fā)射出去，地面圖傳接收器接受信號(hào)并通

4、過轉(zhuǎn)換器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為wifi信號(hào)，通過手機(jī)app接收wifi信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)手機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)看。動(dòng)力系統(tǒng)采用了四個(gè)無刷電機(jī)對(duì)四個(gè)旋翼的控制，從而實(shí)現(xiàn)四驅(qū)來控制飛行器的姿態(tài)。</p><p><b>　　分工合作：</b></p><p>　　1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（機(jī)架，螺旋槳，云臺(tái)等）</p><p>　　2動(dòng)力系統(tǒng)（電機(jī)，電池，電刷等）</p>

5、<p>　　3控制系統(tǒng)（飛控，遙控，圖傳等） 四軸航拍飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的研究</p><p>　　姓名： 班級(jí)： </p><p><b>　　指導(dǎo)老師：</b></p><p>　　摘要：四軸飛行器，又稱四旋翼飛行器、四旋翼直升機(jī)，簡(jiǎn)稱四軸、四旋翼。這四軸飛行器(Quadrotor)是一種多

6、旋翼飛行器。四軸飛行器的四個(gè)螺旋槳采用了電機(jī)直連的簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)，研究了十字形的布局允許飛行器通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)身的力，從而調(diào)整自身姿態(tài)。具體的技術(shù)細(xì)節(jié)在"基本運(yùn)動(dòng)原理"中講述。結(jié)果表明因?yàn)樗逃械膹?fù)雜性，歷史上從未有大型的商用四軸飛行器。近年來得益于微機(jī)電控制技術(shù)的發(fā)展，穩(wěn)定的四軸飛行器得到了廣泛的關(guān)注，應(yīng)用前景十分可觀。</p><p>　　關(guān)鍵字：四軸 飛行器 航拍 動(dòng)力<

7、/p><p>　　Study of power system of aerial quadrotor</p><p>　　Student name: Class:</p><p>　　Supervisor:</p><p>　　Abstrct:Quadrotor,it means four rotor aircraft,four rotor

8、helicopter,which referred to as “four shaft”or “four rotor”.The quadrotor is a kind of aircraft with several rotor.The four rotors of the quadrotor are directly connected to simple mechanism of the motor.The layout of th

9、e cross makes it have the rotating body force by changing the speed of the machine to adjust their attitude.more specific details will be talked in “The basic principle of movement”. The quadrotor is complex of its natur

10、e.</p><p>　　Keyword: four-shaft aircraft aerial power </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 引言(4)</p><p&

11、gt;　　1.2 背景(4)</p><p>　　第二章 四軸航拍飛行器的組成</p><p>　　2.1 機(jī)身結(jié)構(gòu)(7)</p><p>　　2.2動(dòng)力系統(tǒng)(7)</p><p>　　2.3 控制系統(tǒng)(8)</p><p>　　第三章 四軸航拍飛行器的原理</p><p>　　3.1

12、 結(jié)構(gòu)原理(10)</p><p>　　3.1.1 折疊自動(dòng)控制原理(10)</p><p>　　3.2 基本運(yùn)動(dòng)原理(11)</p><p>　　第四章 動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 電機(jī)(14)</p><p>　　4.2 電池、充電器(14)</p><p>　

13、　4.3 電調(diào)(15)</p><p><b>　　第五章 用途與發(fā)展</b></p><p>　　5.1 功能與應(yīng)用(16)</p><p>　　5.2 技術(shù)前沿(16)</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)(17)</b></p><p><b>

14、　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1引言</b></p><p>　　20世紀(jì)90年代之后，隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）研究的成熟，幾克重的MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)被制作了出來，使得多旋翼飛行器的自動(dòng)控制器可以做了。但是MEMS傳感器數(shù)據(jù)噪音很大，不能直接讀出來用，于是人們又花了一些年的時(shí)間研究MEMS去噪聲的各種數(shù)學(xué)算法。這些算法以及自

15、動(dòng)控制器本身通常需要速度比較快的單片機(jī)來運(yùn)行，于是人們又等了一些年時(shí)間，等速度比較快的單片機(jī)誕生。接著人們?cè)倩巳舾赡甑臅r(shí)間理解多旋翼飛行器的非線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給它建模、設(shè)計(jì)控制算法、實(shí)現(xiàn)控制算法。</p><p>　　因此，直到2005年左右，真正穩(wěn)定的多旋翼無人機(jī)自動(dòng)控制器才被制作出來。之前一直被各種技術(shù)瓶頸限制住的多旋翼飛行器系統(tǒng)突然出現(xiàn)在人們視野中，大家驚奇地發(fā)現(xiàn)居然有這樣一種小巧、穩(wěn)定、可垂直起降、機(jī)械結(jié)

16、構(gòu)簡(jiǎn)單的飛行器存在。一時(shí)間研究者趨之若鶩，紛紛開始多旋翼飛行器的研發(fā)和使用。</p><p><b>　　1.2背景</b></p><p>　　1907 年，法國Breguet兄弟制造了第一架四旋翼式直升機(jī)，這次飛行中沒有用到任何旋翼式直升機(jī)，這次飛行中沒有用到任何的控制，所以飛行穩(wěn)定性是很差。</p><p><b>　　圖1&l

17、t;/b></p><p>　　1921年，George De Bothezat在美國俄亥俄州西南部城市代頓的美國空軍部建造了另架大型的四旋翼直升機(jī)先后進(jìn)行了一架大型的四旋翼直升機(jī)，先后進(jìn)行了100多次的飛行試驗(yàn)但是仍然無法很好的控制其飛行，并且沒有達(dá)到美國空軍標(biāo)準(zhǔn)。 </p><p><b>　　圖2</b></p><p>

18、　　1924 年，出現(xiàn)了一種叫做Oemichen的四旋翼直升機(jī)，直升機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了1km 的垂直飛行。</p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　1956 年，Convertawing造了一架四旋翼直升機(jī)，該飛行器的螺旋槳在直徑上超過了19 英尺，用到了兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，并且通過改變每個(gè)螺旋槳提供的推力了來控制飛行器。  </p>

19、<p><b>　　圖4</b></p><p>　　在此之后的數(shù)十年中，四旋翼垂直起降機(jī)沒有什么大的進(jìn)展。</p><p>　　近十幾年來，隨著微系統(tǒng)、傳感器以及控制理論等技術(shù)的發(fā)展四旋翼垂直降機(jī)制理論等技術(shù)的發(fā)展，四旋翼垂直起降機(jī)又引起人們極大的興趣。研究集中在小型或微型四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)、飛行控制以及能源動(dòng)力等方面。</p><p&

20、gt;　　第二章 四軸航拍飛行器的組成</p><p><b>　　2.1機(jī)身結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　四軸飛行器其構(gòu)造特點(diǎn)是在它的四個(gè)角上各裝有一旋翼，由電機(jī)分別帶動(dòng)，葉片可以正轉(zhuǎn)，也可以反轉(zhuǎn)。為了保持飛行器的穩(wěn)定飛行，在四軸飛行器上裝有3個(gè)方向的陀螺儀和3 軸加速度傳感器組成慣性導(dǎo)航模塊，它還通過電子調(diào)控器來保證其快速飛行。</p><

21、p><b>　　圖5</b></p><p><b>　　圖6</b></p><p><b>　　2.2動(dòng)力系統(tǒng)</b></p><p>　　我們知道，作為飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)，顧名思義是為飛行器提供動(dòng)力的，四軸飛行器動(dòng)力系統(tǒng)主要采用電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)從而為飛行器提供升力。</p>

22、;<p><b>　　圖7</b></p><p><b>　　圖8</b></p><p><b>　　2.3控制系統(tǒng)</b></p><p>　　四軸飛行器控制系統(tǒng)是飛行器一個(gè)非常重要的部分，相當(dāng)于人的大腦，它控制著飛行器的姿態(tài)，運(yùn)動(dòng)，停止。</p><p>

23、<b>　　圖9</b></p><p><b>　　圖10</b></p><p>　　第三章 四軸航拍飛行器的原理</p><p><b>　　3.1結(jié)構(gòu)原理</b></p><p>　　如圖11所示，電機(jī)1和電機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2和電機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平

24、衡飛行時(shí)，陀螺效應(yīng)和空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消。</p><p>　　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。</p><p>　　與直升機(jī)相比，四軸飛行器可

25、以實(shí)現(xiàn)的飛行姿態(tài)較少，不過基本的前進(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，維修和更換的開銷也非常小，這讓四軸飛行器有了比直升機(jī)更大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　3.1.1折疊自動(dòng)控制原理</p><p>　　為了保持飛行器的穩(wěn)定飛行，在四軸飛行器上裝有3個(gè)方向的陀螺儀和3 軸加速度傳感器組成慣性導(dǎo)航模塊，可以計(jì)算出飛行器此時(shí)相對(duì)地面的姿態(tài)以及加速度、角

26、速度。飛行控制器通過算法計(jì)算保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)所需的旋轉(zhuǎn)力和升力，通過電子調(diào)控器來保證電機(jī)輸出合適的力。</p><p><b>　　圖11</b></p><p><b>　　3.2基本運(yùn)動(dòng)原理</b></p><p><b>　　(一)折疊垂直運(yùn)動(dòng)</b></p><p>　　

27、圖12中，因有兩對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對(duì)機(jī)身的反扭矩，當(dāng)同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當(dāng)總拉力足以克服整機(jī)的重量時(shí)，四旋翼飛行器便離地垂直上升;反之，同時(shí)減小四個(gè)電機(jī)的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實(shí)現(xiàn)了沿z軸的垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外界擾動(dòng)量為零時(shí)，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時(shí)，飛行器便保持懸停狀態(tài)。保證四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速同步增加或減小是垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。</p><p>

28、<b>　　圖12</b></p><p><b>　?。ǘ┱郫B俯仰運(yùn)動(dòng)</b></p><p>　　圖13中，電機(jī)1的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)2、電機(jī)4的轉(zhuǎn)速保持不變。為了不因?yàn)樾磙D(zhuǎn)速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變，旋翼1與旋翼3轉(zhuǎn)速改變量的大小應(yīng)相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞y軸

29、旋轉(zhuǎn)(方向如圖所示)，同理，當(dāng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升，機(jī)身便繞y軸向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。</p><p><b>　　圖13</b></p><p><b>　?。ㄈ┱郫B滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)</b></p><p>　　與上圖（圖13）的原理相同，改變電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速不變，

30、則可使機(jī)身繞x軸旋轉(zhuǎn)(正向和反向)，實(shí)現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。</p><p><b>　　圖14</b></p><p><b>　　（四）折疊偏航運(yùn)動(dòng)</b></p><p>　　四旋翼飛行器偏航運(yùn)動(dòng)可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來實(shí)現(xiàn)。旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)過程中由于空氣阻力作用會(huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個(gè)旋翼

31、中的兩個(gè)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)反轉(zhuǎn)，且對(duì)角線上的來年各個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，四個(gè)旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，不平衡的反扭矩會(huì)引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖15中，當(dāng)電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速下降時(shí)，旋翼1和旋翼3對(duì)機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對(duì)機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向與電機(jī)1、電機(jī)

32、3的轉(zhuǎn)向相反。因?yàn)殡姍C(jī)的總升力不變，飛機(jī)不會(huì)發(fā)會(huì)垂直運(yùn)動(dòng)。</p><p><b>　　圖15</b></p><p><b>　?。ㄎ澹┱郫B前后運(yùn)動(dòng)</b></p><p>　　要想實(shí)現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運(yùn)動(dòng)，前后運(yùn)動(dòng)必須在水平面內(nèi)對(duì)飛行器施加一定的力。在圖中，增加電機(jī)3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機(jī)1轉(zhuǎn)速，使

33、拉力減小，同時(shí)保持其它兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。按上圖（圖15）的理論，飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實(shí)現(xiàn)飛行器的前飛運(yùn)動(dòng)。向后飛行與向前飛行正好相反。當(dāng)然在圖中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生沿x、y軸的水平運(yùn)動(dòng)。</p><p><b>　　圖16</b></p><p><b>　?。┱郫B

34、側(cè)向運(yùn)動(dòng)</b></p><p>　　在圖17中，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以側(cè)向飛行的工作原理與前后運(yùn)動(dòng)完全一樣。</p><p><b>　　圖17</b></p><p>　　第四章 動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4.1電機(jī)</b></p><p>　　

35、電機(jī)是四軸航拍飛行器飛行控制器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，飛控系統(tǒng)通過控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)化為旋翼轉(zhuǎn)速的改變從而改變各個(gè)旋翼的升力，我們知道，由于在空中四旋翼的升力不一樣，那么四軸飛行器的姿態(tài)就會(huì)改變，因此飛行器的飛行方向和升降都可以控制住了。</p><p><b>　　圖18</b></p><p><b>　　圖19</b></p><p&

36、gt;　　XXD-A2212電機(jī)的工作電壓為7～16VDC，小于人承受的最大電壓，因此是安全的，其安全電流為3～30A，重量僅有58g，滿足了質(zhì)量盡量小的設(shè)計(jì)原則，能效高達(dá)85%以上，其轉(zhuǎn)速高，功率大，功效高，質(zhì)量輕。</p><p><b>　　4.2電池，充電器</b></p><p>　　電池作為四軸航拍飛行器的核心動(dòng)力來源，是整個(gè)飛行器正常工作的前提，它的正常

37、工作與否直接決定著飛行器的運(yùn)動(dòng)，因此，在選擇電池時(shí)需要慎重考慮，再者，為了滿足飛行器自身動(dòng)力的需求，又不加重整個(gè)飛行器的重量，經(jīng)過對(duì)飛行器功率推算我們選擇了ACE2200mah 20C 11.1V航模電池（圖19），充電器選擇301平衡充。</p><p><b>　　4.3電調(diào)</b></p><p>　　無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制通過改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間和通電周期比例

38、值即占空比來改變平均電壓的大小實(shí)現(xiàn)的。</p><p><b>　　圖20</b></p><p>　　一臺(tái)航拍四軸不僅電機(jī)要好，電調(diào)一樣不能疏忽。電調(diào)也就那么幾個(gè)品牌可以選擇。好一點(diǎn)的主流品牌好盈，蜘蛛，中特威。航拍電調(diào)的標(biāo)桿是好盈鉑金30A電調(diào)了。以響應(yīng)快速，細(xì)膩的油門手感而受到玩家的親賴。價(jià)格也不貴。</p><p>　　因此，本項(xiàng)目選用

39、好盈鉑金30A電調(diào)。</p><p><b>　　圖21</b></p><p><b>　　第五章 用途與發(fā)展</b></p><p><b>　　5.1功能與應(yīng)用</b></p><p>　　小型的四軸飛行器可以自由地實(shí)現(xiàn)懸停和空間中的 四軸飛行器自由移動(dòng)，具有很

40、大的靈活性。此外，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械穩(wěn)定性好，所以成本低廉、性價(jià)比很高。主要的應(yīng)用是玩具、航模，以及航拍，新的應(yīng)用也在不斷的拓展之中。</p><p><b>　　圖22</b></p><p><b>　　圖23</b></p><p><b>　　5.2技術(shù)前沿</b></p>&

41、lt;p>　　到2012年左右，國際上普遍認(rèn)為四軸飛行器的控 X650 Pro制已經(jīng)不再是學(xué)術(shù)研究問題，而是成熟的技術(shù)。學(xué)術(shù)研究的方向也轉(zhuǎn)向了基于四軸飛行器做智能導(dǎo)航或者多飛行器的編隊(duì)控制。</p><p>　　四軸飛行器的智能導(dǎo)航指的是利用機(jī)器視覺技術(shù)、人工智能技術(shù)讓四軸飛行器能像人一樣在復(fù)雜環(huán)境中活動(dòng)。</p><p>　　多飛行器的編隊(duì)控制是指同時(shí)控制多個(gè)飛行器，或者

42、讓多個(gè)飛行器自主編隊(duì)飛行。</p><p>　　總之，四軸飛行器未來的應(yīng)用前景很廣闊，它的發(fā)展必將改變?nèi)藗兊纳詈蜕a(chǎn)方式。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1]趙晨.四旋翼無人機(jī)應(yīng)用[J]湖北電力.2012.第36卷第6期：35-36.</p><p>　　[2]岳基隆.微小型四旋

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