教學(xué)用四軸飛行器的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模

顏世玉 趙海濱 周川翔

摘 ? 要：四軸飛行器在航空、民用、軍事等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。本文論述了一種教學(xué)用小型四軸飛行器的主體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)與建模，其具有演示、簡(jiǎn)單航拍、陸空兩用等功能。包括零件的設(shè)計(jì)、材料選擇以及整體三維模型的裝配。最后給出了ANSYS分析結(jié)果，表明所設(shè)計(jì)的飛行器可行，具有一定的教學(xué)意義和實(shí)際價(jià)值。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ?建模 ?ANSYS分析

中圖分類號(hào)：TN403 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（c）-0061-03

Abstract： Four-Axis aircraft has broad application prospects in aviation， civil， military and other fields. This paper describes the lightweight design and modeling of the main structure of a small four-axis aircraft for teaching， which has the functions of demonstration， simple aerial photography， land-air dual-purpose and so on. The part design， material selection and assembly of the whole three-dimensional model are discussed in this paper. Finally， the results of ANSYS analysis show that the designed aircraft is feasible and has certain teaching significance and practical value.

Key Words： Four-axis aircraft; Structure design; Modeling; ANSYS analysis

四軸飛行器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活性強(qiáng)，并可實(shí)現(xiàn)垂直起降和多樣化擴(kuò)展功能的特點(diǎn)，是航空領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1]。同時(shí)，在電力、農(nóng)田等民用領(lǐng)域以及敵情檢測(cè)、地圖繪制等軍事領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用前景[2]。

無(wú)人機(jī)已經(jīng)進(jìn)入課堂。本文論述一種教學(xué)用四軸飛行器的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模，該飛行器具有簡(jiǎn)單航拍、陸空兩用模式以及應(yīng)急降落保護(hù)功能。

1 ?四軸飛行器的運(yùn)動(dòng)原理

四軸飛行器在空間坐標(biāo)系內(nèi)的機(jī)體運(yùn)動(dòng)主要有升降、俯仰、橫滾和偏航幾種，可以將其抽象為如圖1所示的力學(xué)模型[3]。

圖1中，F(xiàn)前、F左、F后、F右表示4個(gè)旋翼所產(chǎn)生的升力的矢量;M前、M左、M后、M右表示4個(gè)旋翼所產(chǎn)生的力矩的矢量。

通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速的變化，改變旋翼所產(chǎn)生的升力和力矩的變化，即可實(shí)現(xiàn)飛行器位姿的變化。

以升降運(yùn)動(dòng)來(lái)講，通過(guò)電機(jī)的速度控制，當(dāng)機(jī)體的4個(gè)旋翼的升力相同，升力的合力大于機(jī)體重力時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)體的上升;升力的合力等于機(jī)體重力時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)體的懸停;升力的合力小于機(jī)體重力時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)體的下降，如圖2所示。

表1列出了飛行器在各種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化。

2 ?四軸飛行器機(jī)架的設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)架的基本結(jié)構(gòu)

機(jī)架的主要零件包括力臂、上面板、下面板、掛載板及腳架等。

力臂即為四軸飛行器的機(jī)翼，是搭載電機(jī)以及螺旋槳的部分。四軸飛行器的上面板和下面板主要用以連接四個(gè)力臂，同時(shí)下面板還具有搭載傳感器模塊以及控制芯片的作用。掛載板通過(guò)連接桿和腳架一起連接在一起，而腳架起支撐整個(gè)機(jī)身的作用，特別是在四旋翼飛行器降落時(shí)起減震的作用。圖3為掛載板和腳架的結(jié)構(gòu)，并且為減輕機(jī)身重量進(jìn)行了鏤空處理。

出于對(duì)減輕機(jī)身自重的考慮，采用了碳纖維作為機(jī)架的材質(zhì)。作為小型飛行器，考慮到市面，飛行器的尺寸控制在500mm3×330mm3×330mm3左右。

2.2 三維模型

由于四軸飛行器的整體尺寸控制在500mm3×330mm3

330mm3左右，因此處于對(duì)角位置的兩電機(jī)中心的距離應(yīng)在450mm左右，相鄰的兩電機(jī)中心的距離為390mm，所以將螺旋槳選型為1047。型號(hào)前兩位代表螺旋槳長(zhǎng)度為10英寸，即254mm;后兩位代表螺距為47。

通過(guò)對(duì)機(jī)架的質(zhì)量的計(jì)算，并考慮飛行器還帶有功能性模塊，估算其最大質(zhì)量為2～3kg，由此得到升降運(yùn)動(dòng)時(shí)每個(gè)機(jī)翼所需要的最小升力，從而確定電機(jī)[4]。根據(jù)計(jì)算，本文所設(shè)計(jì)的飛行器選用朗宇A(yù)ngel系列的A2212-980KV2-3S外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)，980KV代表無(wú)刷電機(jī)在1V電壓下轉(zhuǎn)速可達(dá)980r/min。

通過(guò)機(jī)架、螺旋槳、電機(jī)的建模、裝配，四軸飛行器的三維模型如圖4所示。

3 ?重要部件的ANSYS分析

由機(jī)架的整體結(jié)構(gòu)可知，四軸飛行器本身質(zhì)量并不大，零件強(qiáng)度完全足夠。但當(dāng)其搭載云臺(tái)等輔助系統(tǒng)的時(shí)候，則需要對(duì)其進(jìn)行一定的校核。

根據(jù)飛行器的最大估算質(zhì)量（2～3kg），以此作為載荷條件，并對(duì)連接桿兩端施加約束，得到應(yīng)力形變圖，如圖5所示。

由圖中可以看到連接桿所受最大應(yīng)力為8MPa，最大形變量為0.05mm。查閱相關(guān)資料，可以得知6061鋁合金的極限抗拉強(qiáng)度為124 MPa，受拉屈服強(qiáng)度為55.2MPa，延展率為25%，在此受載的狀況下，完全滿足條件。

4 ?結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)四軸飛行器的運(yùn)動(dòng)原理的分析，論述了一種具有航拍、緊急降落、陸空兩用等功能的教學(xué)用四軸飛行器的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建模及電機(jī)選擇，并利用ANSYS軟件，對(duì)飛行器受載危險(xiǎn)部分進(jìn)行了應(yīng)力形變的分析，結(jié)果表明本設(shè)計(jì)具有一定的教學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 姜香菊，曾幼涵，劉二林. 四旋翼飛行器帶速度補(bǔ)償?shù)亩嗷芈稰ID位置跟蹤控制[J]. 測(cè)控技術(shù)，2017，36（4）：74-78.

[2] 劉浩蓬，龍長(zhǎng)江，萬(wàn)鵬，等. 植保四軸飛行器的模糊PID控制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（1）：71-77.

[3] 劉杰. 四軸飛行器研究與設(shè)計(jì)[D]. 南京：南京郵電大學(xué)， 2013.

[4] 張琛. 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2003.