四轴飞行器的设计

深圳大学

本科毕业论文（设计）

题目: 四轴飞行器的设计

姓名: * * *

专业: 机械设计制造及其自动化

学院: 机电工程学院

学号: 12880008

指导教师:* * *

职称：

2016年 4月 19日

深圳大学本科毕业论文（设计）诚信声明

本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），题目《》是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。除此之外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本人完全意识到本声明的法律结果。

毕业论文（设计）作者签名：

日期：年月日

目录

一．综述 (7)

（一）产品发展历史 (7)

（二）项目研究现状 (7)

（三）研究目的 .......................................................................... 错误！未定义书签。（四）主要研究内容 . (8)

二．产品工作原理 (9)

（一）产品技术方案的提出 (9)

（二）产品总体结构 (9)

（三）产品工作原理 (9)

三．产品结构设计 (11)

（一）产品性能要求 (15)

（二）产品设计计算 (15)

1.参数选择 (15)

2.估算整机重量 (16)

3.功率计算 (17)

4.上下平板连接使用螺纹连接类型及连接件选择 (17)

5.机身支架与马达底座之间控轴公差与配合 (18)

（三）产品结构设计 (21)

1.产品装配图 (21)

机架装配 (22)

电机装配 (23)

脚架装配 (24)

2.产品零件图 (25)

缓冲套 (25)

脚架 (25)

马达底座 (26)

下平板 (26)

橡胶套1 .......................................................................................... 错误！未定义书签。

橡胶套2 (27)

四．结构分析与试验 (29)

结论 (30)

【摘要】

Solidworks软件是美国Solidworks公司开发的三维CAD软件，是世界上第一个基于windows开发的三维CAD软件，功能强大、易学易用与技术创新是Solidworks软件的三大特点。通过SolidWorks的三维建模，可以有效减少设计过程中的错误并提高产品质量。，SolidWorks对于每位工程师和设计者来说，操作方便、易学易用，是产品设计的一大利器。

本论文是对四轴飞行器的工作原理和结构进行分析并对其进行设计，通过对四轴飞行器的设计，获得马达底座、上平板、下平板及脚架等零件的各项数据，再根据这些数据用Solidworks对产品进行三维造型设计，然后生成工程图，最后再利用Solidworks进行装配和仿真。

【关键词】SolidWorks、四轴飞行器、产品设计、三维建模、装配和仿真

前言

四轴飞行器是属于无人飞行器的一种，通过调节四个电机来控制四个螺旋桨升力的变化，从而改变飞行器的飞行姿态和位置。四轴飞行器最开始的时候是由军方研发的一种新式的飞行器。随着单片机、微机电系统传感器、电机和电池技术的发展与普及，四轴飞行器现今成为了航模界的新锐力量。到现在，四轴飞行器已经应用到各个不同的领域，比如军事打击、警用追捕、灾害救援、农林业的调查、输电线巡查、广告宣传、航拍、航模玩具等等，已经成为非常重要的遥感平台。就以农业调查为例子，传统的调查方式是到现场抽样调查或者用航空航天遥感。抽样的方式工作量较大，而且其准确性会受主观因素影响；而使用遥感方式可以同时在大范围内进行调查，时效性和准确性相对于抽样的方式都有了较大的提升，但只能得到大型农作物的宏观指标，而且成本比较高。不连续的地块和小种作物等很难运用遥感调查。所以，低空低成本的遥感技术显得非常重要，而四轴飞行器正正符合低空低成本的遥感平台的要求。目前应用比较广泛的飞行器有：固定翼飞行器与单轴的直升机。和固定翼飞行器相比较，四轴飞行器的机动性好，动作灵活，且可以垂直起飞降落和悬停在空中，则缺点是续航时间比较短、飞行速度较慢；而与单轴直升机比较，四轴飞行器的机械结构简单，不用尾桨抵消反力矩，成本比较低。本文就小型电动四轴飞行器，介绍四轴飞行器的一种实现方案，重点讲解四轴飞行器的结构设计，并对几个比较重要的零件进行讲解。

一．综述

（一）产品发展历史

四轴飞行器，又称为四旋翼飞行器，作为当下最热门的其中一种飞行器，已经受到了越来越多科学爱好者和不同商业公司的关注。下面我就来简单讲述一下四轴飞行器的发展历史。

1907年，在法国，Breguet兄弟制造出了第一架四旋翼直升机，在这次飞行中没有用任何的控制，所以飞行的稳定性很差。

1921年，Deorge De Bothezat 在位于美国俄亥俄州西南部城市代顿的美国空军部建造了另外一架大型的四旋翼直升机，先后进行了100多次的飞行试验，但是还是没有办法很好的控制直升机飞行，并且没有达到美国空军的标准。

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

1956年，Convertawing制造了一架四旋翼直升机，这架直升机的螺旋桨直径超过了19英尺，使用了两个发动机，并且通过改变各个螺旋桨提供的升力来控制飞行器。

在之后的几十年里面，四旋翼直升机并没有一些大的进展。

在近来十几年，随着微机电系统、传感器和控制理论等技术的发展，四旋翼直升机又引起了人们极大的兴趣。研究集中在小型或者微型四旋翼飞行器的结构、飞行控制以及能源动力等方面。

（二）项目研究现状

说到四轴飞行器，我们首先要讨论的就是DJI大疆创新科技有限公司。DJI在早年专注于研发直升机自动控制器上。但在2010年，AR.Drone的成功让大疆公司开始考虑四轴飞行器产品。两年后，大疆就推出了风火轮系列四轴机架、悟空四轴飞行控制器和S800六轴飞行器。在当时，在全球范围内AR.Drone引领了一股将四旋翼商业化的热潮，大疆只是众多个小四旋翼公司中稍微出众的一个。

随着2013年DJI Phantom的推出，四轴飞行器的市场形势发生了巨大的变化。Phantom 具有优雅的白色流线型外形；和AR.Drone一样操控简便，新手学习半个多小时就可以飞行。Phantom比AR.Drone尺寸大得多，抗风性更好，还有内置GPS导航功能，可以在户外很大的范围飞行。而更加重要的是，当时使用GoPro拍摄极限运动成为了许多欧美国家的时尚，而Phantom提供了GoPro的连接架，让使用GoPro拍摄极限运动的人们有了新视角。并且多旋翼系统比起直升机航拍灵活了不少，能让拍摄者自由的控制拍摄角度和距离。此后，大疆很快又推出了能精确使相机小抖的云台，使S800的航拍影像质量到达了电影水平。

（三）三维实体设计软件solidworks软件介绍

SolidWorks软件是达索系统下的子公司SolidWorks公司推出的一款三维CAD系统，是世界上第一个基于Windows设计的三维CAD软件。CV公司的副总裁和PTC公司的副总裁于1993年共同发起、创立了SolidWorks公司，在1995年成功推出了SolidWorks软件。SolidWorks的技术创新特点符合CAD的发展趋势使SolidWorks公司在两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。在一些麻省理工大学和斯坦福大学在内的名牌大学里，SolidWorks已经被设为制造专业的必修课程。

功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks软件的三大特点。SolidWorks省去了设计过程中的三维视图和二维视图间的转化过程，直接从三维模型入手。设计者可以通过鼠标方便的使用旋转、拉伸、抽壳、特征阵列及异型孔向导等功能，不断修改三维实体造型，最终完成产品的设计。SolidWorks的参数驱动的设计模式使用户可以通过修改相关的参数，从而动态修改设计参数，最终完善设计方案。这种特点可以让用户快速的发现零部件中的机械缺陷，然后直接修改模型，减少了设计中的各种错误。SolidWorks还有系统自带的标准件库，包含螺栓、螺钉、螺母、螺柱和垫圈等常用零部件，在装配时可以直接调用。

（四）研究目的

（1）培养综合运用所学的机械设计课程的知识去解决机械工程问题的能力，并使所学知识得到巩固和发展。

（2）学习机械设计的一般方法和简单机械结构装置的设计步骤。

（3）进行机械设计基本技能的训练，如计算、绘图和学习使用设计资料、手册、标准和规范。

（五）主要研究内容

（1）拟定和分析主体结构装置的设计方案。

（2）进行机体的设计计算，结构设计。

（3）绘制飞行器总装图。

（4）设计飞行器非标零件。

（5）飞行器的实体造型。

（6）编写设计说明书，准备答辩。

二．产品工作原理

（一）产品技术方案的提出

（二）产品总体结构

旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方

向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼

的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在

飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制

计算机和外部设备。结构形式如图2.1所示。

图2.1 四旋翼飞行器的结构形式（三）产品工作原理

四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。

四旋翼飞行器的电机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。

在图2.2中，电机1和电机3作逆时针旋转，电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。

（1）垂直运动：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。

（2）俯仰运动：在图（b）中，电机1的转速上升，电机 3 的转速下降（改变量大小

应相等），电机2、电机 4 的转速保持不变。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，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。

（3）滚转运动：与图b 的原理相同，在图c 中，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。

（4）偏航运动：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d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。

（5）前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图e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。按图b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。（在图 b 图c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。）

（6）倾向运动：在图 f 中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

转自：机器人世界-人人小站

图2.2 四旋翼飞行器沿各自由度的运动

（四）设计前准备

1.制造四轴飞行器需要准备什么零件

无刷电机（4个）

电子调速器（简称电调，4个）

螺旋桨(4个，需要2个正浆，2个反浆)

飞行控制器

电池（锂电池）

遥控器（最低四通道遥控器）

充电器（尽量选择平衡充电器）

机架 2.3 航模电调

2.四轴零件之间接线于简单说明

如图2.3为航模电调，四个电调的正

负极并联（红线接一起，黑线接一起），

接到电源正负极；

电调3根黑色的电机控制线，连接电

机；

电调有个BEC输出，连接飞行控制

器，给飞行控制器输入5V电压供电，和

接受飞行控制器的控制信号；

遥控接收器接在飞行控制器上，从飞

行控制器得到5V电压并向飞行控制器输

出遥控信号。

2.4 零件之间接线

3.飞行控制器

作用

飞行控制器，简称飞控。飞行控制器能迅速调整飞行状态，排除安装、外界干扰、零件之间的不一致等因素造成的飞行力量不平衡。飞行控制器通过陀螺仪，对四轴飞行状态进行快速调整，若发现右边力量大，飞行器向左偏，就会减弱右边电流输出，电机减速，升力减小，就不会向左偏。

飞行模式

四轴飞行模式分为x飞行模式和+飞行模式，以下是x模式和+模式的区别。x模式比较难飞一点，但是动作灵活；+模式比较好飞，但是动作灵活性较差，适合初学者。要注意的是，x模式和+模式的飞控安装是不一样的，如果飞控安装错误，会发生剧烈的晃动，根本无法飞行。

2.5 x飞行模式和+飞行模式

4.电调

为什么需要电调？

电调的作用是将飞行控制器的控制信号转变为电流的大小，从而控制电机的转速。

因为电机的电流是很大的，通常每个电机正常工作时，平均有3a左右的电流，如果没有电调的存在，飞行控制器根本无法承受这样大的电流（另外也没驱动无刷电机的功能）。

同时电调在四轴当中还充当了电压变化器的作用，将锂电池的电压变为5v为飞控板和遥控器供电。

买多大的电调？

购买的电调上面都会标有多少A，如20A，40A这些数字代表的就是电调能提供的电流，大电流的电调可以兼容小电流的地方，但是小电流的电调则不能过度使用。所以选用的电调宜大不宜小。

5.无刷电机与螺旋桨

无刷电机和有刷电机

电机分为有刷电机和无刷电机，区别在于是否配置有常用电刷-转向器。有刷电机的转向通过石墨电刷和安装在转子的环形转换器相互接触来实现的。而无刷电机通过霍尔传感器把转子位置反馈给控制电路，使其能够获知相位转换的准确时间。无刷电机没有电刷，所以没有相关接口，因此更干净，噪声更小，事实上无需维护，寿命更长。

无刷电机是四轴飞行器的主流，具有力气大和耐用的特点。

电机型号的含义

购买电机的时候经常看到一些2212、2018等数字，究竟是什么意思呢？这些数字其实代表的是电机的尺寸。不管购买什么牌子的电机，都会标有这类4位数字，其中前面的两位代表的是电机转子的直径，后面两位代表的是电机转子的高度。简单的说，前面两位越大，电机越宽，后面两位越大，电机越高。又高又大的电机，功率就更大，适合做大型的四轴飞行器。通常使用2212的电机是最常见的配置了。

螺旋浆的型号含义

和电机类似，螺旋桨也有1045、7040等4位数字，前面两位数字代表的是螺旋桨的直径（单位：英寸），后面两位代表的是螺旋浆的角度。

什么是正反浆，为什么需要它？

四轴飞行器为了抵消螺旋桨的自旋，相隔的螺旋桨旋转方向是不一样的，所以需要正反浆。正反浆的风都向下吹。适合顺时针转的浆叫正浆、适合逆时针转的叫反浆。安装的时候，无论是正浆还是反浆，有字的一面都朝上。

6.螺旋桨和电机的搭配

螺旋桨越大，升力就越大，但需要的驱动力量就更大；螺旋桨的转速越高，升力越大；电机的KV值(KV值在下文中有详细注解)越小，驱动力量就越大。所以大的螺旋桨需要KV 值小的电机，小螺旋桨则需要使用KV值大的电机，因为需要使用高转速来弥补升力不足的缺点。如果使用大KV值的电机来驱动大螺旋桨，由于力量不足，实际上还是低速运转，电机和电调都很容易烧掉。如果用小KV值的电机来驱动小螺旋桨，力量没有问题，但是转速不足，升力不够，飞行器有可能不能起飞。

【注释】电机KV值的含义。KV值是衡量电机的重要指标，KV值越高，电机转速越快，电机约灵敏。KV 值代表电压每增加1V，电机每分钟所增加的转速。KV920，即电压每升高1V,电机每分钟增加920转。

三．产品设计

（一）产品性能要求

飞行器可执行各种不同姿态的飞行指令，并可以载重约500g的相机飞行10分钟。

（二）产品设计计算

7.参数选择

首先，我们参考DJI大疆创新科技有限公司的DJI F450的推荐参数，如图3.1。

图3.1 DJI F450推荐参数

在这里，我们参考F450的对称电机轴距，取450mm；电池取4S Lipo；电调选择稍大于15A的20A。

选用10000mAh,25C,14.8V,4S电池。

电池的能量值以毫瓦时（nWh）表示，即=10000mAh*14.8V=148000mWh=148Wh。

【注释】4S电池就是代表这块电池里面有四小块锂电池，一节锂电池是3.7V，所以4S的电池电压是14.8V。一块电池的终止电压为2.75V。低于2.75V后继续使用称为过放电，对电池有损坏，也就是说4S的电池低于2.75*4=11V时就不要再使用了。

25C是电池的放电率，是电池放电快慢的一种量度。是指电池能以最大25倍的电流放电，即最大放电电流是10000mAh*25C=250000mA=250A。若以10A的电流放电，则可放电1小时。

计划飞行器飞行10分钟，电池的最大放电电流为10A*6=60A。

8.估算整机重量

表3.1 整机重量估算

根据上面的估算，我们取整机700g。

9.功率计算

整机重700g，假设需要载500g的相机飞行，则总重量1200g。为了使飞行器有足够的灵活性，取2.0的系数，即G=1200g*2=2400g。所以我们需要的升力为2400g，需要每个电机产生的升力=2400/4=600g。

图3.2 BX2212实验数据

如图3.2为BX2212-920KV的试验数据，当电调输出电流为8.5A时，8045浆可产生的升力为600g，飞行器即可起飞。

10.上下平板连接使用螺纹连接类型及连接件选择

由于上下平板连接受力不大，所以选择螺钉连接，

如图3.3（b）所示。设选择Q235的M3螺钉进行连接，

进行校核：

飞行器载相机时总重量为1.2kg，设分别使用4个螺

钉连接上下平板与平板直接的梁。

工作时，连接所受总载荷F的作用线与各螺钉轴线

平行，并通过螺钉组的对称中心。

则各螺钉所受工作载荷为

F= FΣ/z=(1.2kg*9.8N/kg)/4=2.94N

注：z为螺钉数目

螺钉的总拉力图3.3 双头螺柱连接和螺钉连接

F1=F0+△F=F0+C1(C1+C2)F

F1=(K0+K C)F=(3.0+0.2)*2.94N=9.408N

式中K0——预紧系数,F0=K0F，查表得3.0；

K C——螺栓的相对刚度系数，K C=C1/(C1+C2)，查表得0.2。

螺纹的小径

d1≥=0.18

式中[]——许用应力，查表得460Mpa。

即M3螺钉可行。

螺钉连接中，在有螺纹的被连接件中的螺纹拧入深度H与被连接件的材料有关。选用45号钢为连接上下平板的梁，则为了保证连接的强度，H≈d。在有螺纹的被连接件中的螺纹深度H1=H+l2，所钻孔深度为H2=H+l3，其中l2=（2~2.5）P（P为螺距）；l3=（0.5~1）d。

则梁的螺纹深度为H1= H+l2=2.5+2*0.5=3.5，钻孔深度为H2=H+l3=2.5+0.5*2.5=3.75。

11.机身支架与马达底座之间控轴公差与配合

如图1.6为马达底座的零件图，机身支架穿过R6孔中，在Φ3.40孔中扭入螺钉，通过螺纹锁紧支架。

由于在设计中选择使用具有一定精度的碳纤维管作为支架，不必切削加工而直接做轴来与其他零件进行孔配合，因此采用基轴制同级配合。

在支架与马达底座之间的孔轴配合中，要求拆装方便而无相对运动，所以选择使用间隙配合。

由于支架与马达底座的松紧可以通过使用螺钉来调节，所以属于中等精度。在满足使用要求的前提下，应尽可能选择较低的公差等级，以降低加工成本，所以公差等级选择IT10。

图3.4 马达底座零件图

【注释】基轴制配合是以基本偏差一定的轴的公差带为基准，和各种不同基本偏差的孔作配合的一种制度。

国家标准规定内，标准等级有20级，基本偏差有28个，所以可以组成很多种公差带；孔和轴公差带的组合又能组成30万以上种配合。为了尽可能减少零件、定值刀具、定值量具和工艺准备的品种、规格，所以国家标准在满足我国生产加工的现实需要和发展的前提下，对孔和轴公差带与配合的选用作了必要的限制。

根据生产加工的实际情况，国标对常用尺寸段（公称尺寸低于500mm）规定了孔、轴的一般、常用、优先三类公差带。在实际应用中，选用公差带的顺序是：首先为优先公差带，其次是常用公差带，最后为一般公差带。在此基础上，还规定了孔、轴公差带的组合。对基孔制规定了59中常用配合，如表3.3所示。对基轴制规定了47中常用配合，如表3.2所示。在常用配合中，有对基孔制、基轴制各规定了13种优先配合，用实心三角符号标记。

表3.2 基轴制优先、常用配合

在满足公差等级IT10的要求的同时，选用国标规定的优先配合。同时为了使马达底座能较轻易的安装到轴的中间部分，所以需要间隙稍大的配合，所以选择D9/h9。在公差代号中D9代表孔的公差带代号，h9代表轴的公差带代号。

表3.3 基孔制优先、常用配合