科技创新论文-四轴航拍飞行器动力系统的设计大学论文

航空制造工程学院

创新能力综合训练

研究报告

题目：四轴航拍飞行器动力系统的设计所属课题：四轴航拍飞行器的设计

学院：航空制造工程学院

专业名称：飞行器制造工程

班级学号：

学生姓名：

合作者：

指导教师：

二O一五年十一月

主要创新点

设计思想：

四轴飞行器的摄像头通过图传发射器将信号发射出去，地面图传接收器接受信号并通过转换器将信号转换为wifi信号，通过手机app接收wifi信号即可实现手机的实时监看。动力系统采用了四个无刷电机对四个旋翼的控制，从而实现四驱来控制飞行器的姿态。

分工合作：

1 结构设计（机架，螺旋桨，云台等）

2动力系统（电机，电池，电刷等）

3控制系统（飞控，遥控，图传等）

四轴航拍飞行器动力系统的研究

姓名：班级：

指导老师：

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(Quadrotor)是一种多旋翼飞行器。四轴飞行器的四个螺旋桨采用了电机直连的简单机构，研究了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。具体的技术细节在"基本运动原理"中讲述。结果表明因为它固有的复杂性，历史上从未有大型的商用四轴飞行器。近年来得益于微机电控制技术的发展，稳定的四轴飞行器得到了广泛的关注，应用前景十分可观。

关键字：四轴飞行器航拍动力

Study of power system of aerial quadrotor

Student name:Class:

Supervisor:

Abstrct:Quadrotor,it means four rotor aircraft,four rotor 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 the 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 nature.It turn out that because of this,so it never has been designed for large commercial quadrotor in history.Recently,with the development of the micro-control technology,the quadrotor got its attention,considerable of its application scenario.

Keyword: four-shaft aircraft aerial power

目录

第一章绪论

1.1 引言 (4)

1.2 背景 (4)

第二章四轴航拍飞行器的组成

2.1 机身结构 (7)

2.2动力系统 (7)

2.3 控制系统 (8)

第三章四轴航拍飞行器的原理

3.1 结构原理 (10)

3.1.1 折叠自动控制原理 (10)

3.2 基本运动原理 (11)

第四章动力系统的设计

4.1 电机 (14)

4.2 电池、充电器 (14)

4.3 电调 (15)

第五章用途与发展

5.1 功能与应用 (16)

5.2 技术前沿 (16)

参考文献 (17)

第一章绪论

1.1引言

20世纪90年代之后，随着微机电系统（MEMS）研究的成熟，几克重的MEMS 惯性导航系统被制作了出来，使得多旋翼飞行器的自动控制器可以做了。但是MEMS传感器数据噪音很大，不能直接读出来用，于是人们又花了一些年的时间研究MEMS去噪声的各种数学算法。这些算法以及自动控制器本身通常需要速度比较快的单片机来运行，于是人们又等了一些年时间，等速度比较快的单片机诞生。接着人们再花了若干年的时间理解多旋翼飞行器的非线性系统结构，给它建模、设计控制算法、实现控制算法。

因此，直到2005年左右，真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出来。之前一直被各种技术瓶颈限制住的多旋翼飞行器系统突然出现在人们视野中，大家惊奇地发现居然有这样一种小巧、稳定、可垂直起降、机械结构简单的飞行器存在。一时间研究者趋之若鹜，纷纷开始多旋翼飞行器的研发和使用。

1.2背景

1907 年，法国Breguet兄弟制造了第一架四旋翼式直升机，这次飞行中没有用到任何旋翼式直升机，这次飞行中没有用到任何的控制，所以飞行稳定性是很差。

图1

1921年，George De Bothezat在美国俄亥俄州西南部城市代顿的美国空军部建造了另架大型的四旋翼直升机先后进行了一架大型的四旋翼直升机，先后进行了100多次的飞行试验但是仍然无法很好的控制其飞行，并且没有达到美国空军标准。

图2

1924 年，出现了一种叫做Oemichen的四旋翼直升机，直升机首次实现了1km 的垂直飞行。

图3

1956 年，Convertawing造了一架四旋翼直升机，该飞行器的螺旋桨在直径上超过了19 英尺，用到了两个发动机，并且通过改变每个螺旋桨提供的推力了来控制飞行器。

图4

在此之后的数十年中，四旋翼垂直起降机没有什么大的进展。

近十几年来，随着微系统、传感器以及控制理论等技术的发展四旋翼垂直降机制理论等技术的发展，四旋翼垂直起降机又引起人们极大的兴趣。研究集中在小型或微型四旋翼飞行器的结构、飞行控制以及能源动力等方面。

第二章四轴航拍飞行器的组成

2.1机身结构

四轴飞行器其构造特点是在它的四个角上各装有一旋翼，由电机分别带动，叶片可以正转，也可以反转。为了保持飞行器的稳定飞行，在四轴飞行器上装有3个方向的陀螺仪和3 轴加速度传感器组成惯性导航模块，它还通过电子调控器来保证其快速飞行。

图5

图6

我们知道，作为飞行器的动力系统，顾名思义是为飞行器提供动力的，四轴飞行器动力系统主要采用电池驱动电机带动桨叶旋转从而为飞行器提供升力。

图7

图8

四轴飞行器控制系统是飞行器一个非常重要的部分，相当于人的大脑，它控制着飞行器的姿态，运动，停止。

图9

图10

第三章四轴航拍飞行器的原理

3.1结构原理

如图11所示，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。

四轴飞行器是一个在空间具有6个活动自由度(分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作)，但是只有4个控制自由度(四个电机的转速)的系统，因此被称为欠驱动系统(只有当控制自由度等于活动自由度的时候才是完整驱动系统)。不过对于姿态控制本身(分别沿3个坐标轴作旋转动作)，它确实是完整驱动的。

与直升机相比，四轴飞行器可以实现的飞行姿态较少，不过基本的前进、后退、平移等状态都可以实现。但是四轴飞行器的机械结构远远比直升机简单，维修和更换的开销也非常小，这让四轴飞行器有了比直升机更大的应用优势。

3.1.1折叠自动控制原理

为了保持飞行器的稳定飞行，在四轴飞行器上装有3个方向的陀螺仪和3 轴加速度传感器组成惯性导航模块，可以计算出飞行器此时相对地面的姿态以及加速度、角速度。飞行控制器通过算法计算保持运动状态时所需的旋转力和升力，通过电子调控器来保证电机输出合适的力。

图11

3.2基本运动原理

(一)折叠垂直运动

图12中，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升;反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。

图12

（二）折叠俯仰运动

图13中，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速改变量的大小应相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转(方向如图所示)，同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。

图13

（三）折叠滚转运动

与上图（图13）的原理相同，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转(正向和反向)，实现飞行器的滚转运动。

图14

（四）折叠偏航运动

四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的来年各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动;当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图15中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。因为电机的总升力不变，飞机不会发会垂直运动。

图15

（五）折叠前后运动

要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，前后运动必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图中，增加电机3转速，使拉力增大，相应减小电机

1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按上图（图15）的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。当然在图中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。

图16

（六）折叠侧向运动

在图17中，由于结构对称，所以侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

图17

第四章动力系统的设计

4.1电机

电机是四轴航拍飞行器飞行控制器的执行机构，飞控系统通过控制电机的输出转化为旋翼转速的改变从而改变各个旋翼的升力，我们知道，由于在空中四旋翼的升力不一样，那么四轴飞行器的姿态就会改变，因此飞行器的飞行方向和升降都可以控制住了。

图18

图19

XXD-A2212电机的工作电压为7～16VDC，小于人承受的最大电压，因此是安全的，其安全电流为3～30A，重量仅有58g，满足了质量尽量小的设计原则，能效高达85%以上，其转速高，功率大，功效高，质量轻。

4.2电池，充电器

电池作为四轴航拍飞行器的核心动力来源，是整个飞行器正常工作的前提，