基于SolidWorks的小型四旋翼無人機(jī)設(shè)計(jì)及仿真

楊學(xué)文，馬瑞陽，李志藝

(中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)

0 引言

隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，其在無人機(jī)航拍、電力巡檢、環(huán)境監(jiān)測及災(zāi)后救援等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。為了使無人機(jī)的飛行性能和任務(wù)性能達(dá)到一定的目標(biāo)，所以大部分無人機(jī)的結(jié)構(gòu)都需要進(jìn)行一定的調(diào)整，以滿足結(jié)構(gòu)布局和控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)及通訊系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)。良好的布局設(shè)計(jì)可以有效地提高無人機(jī)的空間利用率及日常維護(hù)的便捷性。參考市面上大部分小型消費(fèi)級無人機(jī)的布局設(shè)計(jì)，考慮到對虛擬裝配訓(xùn)練的教學(xué)性，本文采用具有良好飛行穩(wěn)定性和機(jī)動性的X構(gòu)型無人機(jī)整機(jī)布局方案[1]，對無人機(jī)各零部件的建模、虛擬裝配以及運(yùn)動仿真[2]過程進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小型四旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)一般由機(jī)身、機(jī)臂、電機(jī)和轉(zhuǎn)子葉片4個部分組成[3]。本文對無人機(jī)中心板和配電板(組成機(jī)身)、機(jī)臂及其他部件(電機(jī)、轉(zhuǎn)子葉片及連接部件等)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1.1 中心板設(shè)計(jì)

中心板分為中心頂板和中心底板，是無人機(jī)的主要承力部件，它可以承載單片機(jī)、配電板、攝像頭、任務(wù)倉和電池等飛行控制元件和任務(wù)組件[4]，并在飛行和降落時(shí)對各部件起到一定的保護(hù)作用。根據(jù)中心板的性能特點(diǎn)和要求，利用SolidWorks對中心板進(jìn)行三維建模，對非承力部分進(jìn)行切除減重和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，以便于其他模塊化部件的安裝和拆卸。設(shè)計(jì)的中心板如圖1所示，中心設(shè)計(jì)4個Φ8的孔用于固定配電板，周圍設(shè)計(jì)8個Φ3.2的孔通過機(jī)臂連接中心頂板和中心底板。中心頂板和中心底板的尺寸均為72 mm×72 mm。

圖1 中心板

1.2 配電板設(shè)計(jì)

配電板分為配電板底板和配電板頂板，主要用于承載單片機(jī)和電池等飛行控制元件。配電板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，配電板底板設(shè)計(jì)了4個Φ6的連接孔，通過螺栓固定于中心底板上。配電板頂板也設(shè)計(jì)了4個Φ6的連接孔，采用螺栓通過定位套筒與配電板底板相連。配電板邊緣均設(shè)計(jì)了器件連接接口位，配電板尺寸為36 mm×36 mm。

圖2 配電板

1.3 機(jī)臂設(shè)計(jì)

機(jī)臂[5]為無人機(jī)的主要傳力構(gòu)件，當(dāng)無人機(jī)工作時(shí)，機(jī)臂上安裝的電機(jī)帶動轉(zhuǎn)子葉片工作，轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)動時(shí)產(chǎn)生升力，帶動機(jī)臂向上運(yùn)動，機(jī)臂與中心板間通過螺栓螺母進(jìn)行連接，承受一定的彎矩和剪切應(yīng)力。由于四旋翼無人機(jī)是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)[6]，其主要運(yùn)動狀態(tài)有垂直運(yùn)動、俯仰運(yùn)動、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動、前后運(yùn)動和側(cè)向運(yùn)動5個，但只有4個電機(jī)進(jìn)行力的輸入，因此在飛行時(shí)，對機(jī)臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高。機(jī)臂的結(jié)構(gòu)如圖3所示，機(jī)臂左側(cè)設(shè)計(jì)了2個Φ8的連接孔，與中心板間使用2個螺栓進(jìn)行緊配合連接，同時(shí)設(shè)置了加強(qiáng)筋對連接處的強(qiáng)度進(jìn)行加強(qiáng)；機(jī)臂右端設(shè)計(jì)了1個Φ6的中心定位孔和3個Φ4的固定孔，電機(jī)通過中心定位孔定位，通過周圍3個固定孔固定在機(jī)臂的右端。中段采用邊長為6.6 mm的等邊三角形摳除材料，形成人字形結(jié)構(gòu)對機(jī)臂強(qiáng)度進(jìn)行加強(qiáng)，同時(shí)達(dá)到了減輕無人機(jī)整體重量的目的。機(jī)臂整體尺寸為94 mm×12 mm×20 mm。

圖3 機(jī)臂

1.4 其他部件的設(shè)計(jì)

對無人機(jī)電機(jī)、轉(zhuǎn)子葉片以及連接部件等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 其他部件設(shè)計(jì)

2 無人機(jī)結(jié)構(gòu)虛擬裝配

零部件的裝配是生成工程圖以及運(yùn)動仿真分析的基礎(chǔ)，無人機(jī)的裝配采用自下而上的裝配方式[7]，即將創(chuàng)建的零部件一一導(dǎo)入裝配體中，在零部件間插入配合關(guān)系來調(diào)整它們在零部件中的位置和方向。本文結(jié)合裝配流程(如圖5所示)對無人機(jī)裝配方法和步驟進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖5 裝配流程

按照裝配流程進(jìn)行裝配：

(1) 打開SolidWorks并新建裝配體文件。

(2) 點(diǎn)擊插入新零件，放置第一個零件“中心底板”，插入第一個零件作為裝配的基準(zhǔn)，默認(rèn)位置是固定的。

(3) 插入零件“機(jī)臂”，將其放置于合適位置，點(diǎn)擊“配合”按鈕，在“中心底板”和“機(jī)臂”間建立2個“同軸心”和1個“重合”的配合關(guān)系。

(4) 插入零件“電機(jī)”，點(diǎn)擊“配合”按鈕，在“電機(jī)”和“機(jī)臂”之間創(chuàng)建兩個2個“同軸心”和1個“重合”的配合關(guān)系。

(5) 插入3個零件“螺柱”，在“螺柱”和“機(jī)臂”之間創(chuàng)建1個“同軸心”和1個“重合”的配合關(guān)系。

(6) 插入零件“轉(zhuǎn)子葉片”點(diǎn)擊配合按鈕，在“電機(jī)”和“轉(zhuǎn)子葉片”之間創(chuàng)建1個“同軸心”和1個“重合”的配合關(guān)系。

(7) 插入“螺母”點(diǎn)擊配合按鈕，在“轉(zhuǎn)子葉片”和“螺母”間創(chuàng)建1個“同軸心”和1個“重合”的配合關(guān)系。完成以上7個步驟得到裝配圖1，如圖6所示。

(8) 重復(fù)步驟(3)～(7)，完成其余3個機(jī)臂、電機(jī)、轉(zhuǎn)子葉片的裝配。裝配效果如圖7所示。

圖6 裝配圖1 圖7 裝配圖2

(9) 插入零件“配電板底板”將其放置合適位置，點(diǎn)擊“配合”按鈕，在“中心底板”和“配電板底板”之間創(chuàng)建2個“同軸心”和1個“重合”的配合關(guān)系。

(10) 插入零件“配電板支撐套筒”(4個)，點(diǎn)擊“配合”按鈕，在“配電板支撐套筒”和“配電板底板”之間創(chuàng)建1個“同軸心”和1個“重合”的配合關(guān)系。

(11) 插入零件“配電板頂板”，點(diǎn)擊“配合”按鈕，在“配電板頂板”和“配電板支撐套筒”之間創(chuàng)建2個“同軸心”和1個“重合”的配合關(guān)系。至此完成配電板的安裝，裝配效果如圖8所示。

(12) 插入零件“中心頂板”，點(diǎn)擊“配合”按鈕，在“中心頂板”和4個“機(jī)臂”之間創(chuàng)建4個“同軸心”和1個“重合”的配合關(guān)系。在整個裝配過程中“螺栓”和“螺母”的安裝均采用“同軸心”和“重合”配合關(guān)系。至此，無人機(jī)虛擬安裝結(jié)束。無人機(jī)整體安裝效果如圖9所示。

圖8 裝配圖3 圖9 無人機(jī)整體安裝效果

完成無人機(jī)虛擬裝配后，利用虛擬裝配中的干涉檢驗(yàn)[8]和質(zhì)量屬性等對模型進(jìn)行一個直觀的顯示，并對其進(jìn)行校驗(yàn)，對產(chǎn)生裝配錯誤的部件進(jìn)行修改和調(diào)整，以滿足無人機(jī)模型的設(shè)計(jì)要求。

3 無人機(jī)運(yùn)動仿真

無人機(jī)運(yùn)動仿真[9]，主要是為了生成以下動畫效果：無人機(jī)四旋翼(轉(zhuǎn)子葉片)在電機(jī)驅(qū)動下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生升力，帶動無人機(jī)機(jī)體向上運(yùn)動。在裝配體模式下，實(shí)現(xiàn)4個轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動仿真，具體實(shí)現(xiàn)如下：點(diǎn)擊工具菜單欄下“插入”命令，然后點(diǎn)擊“新建運(yùn)動算例”，在運(yùn)動算例中點(diǎn)擊“馬達(dá)”按鈕，選擇“旋轉(zhuǎn)馬達(dá)”，再選擇模型中需要旋轉(zhuǎn)的零件“轉(zhuǎn)子葉片”作為旋轉(zhuǎn)部件，選擇“電機(jī)”作為旋轉(zhuǎn)參考，再設(shè)置運(yùn)動為等速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為100 r/min，完成“馬達(dá)”設(shè)置，返回主界面拖動時(shí)間軸到20 s處。點(diǎn)擊播放，完成一個轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動仿真。重復(fù)以上步驟，再設(shè)置3個“馬達(dá)”，完成其余3個轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動仿真。馬達(dá)設(shè)置如圖10所示，無人機(jī)轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)動如圖11所示。

圖10 馬達(dá)設(shè)置

圖11 無人機(jī)轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)動

為實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的上升運(yùn)動仿真，需設(shè)置一個參考平面，點(diǎn)擊“插入零部件”命令插入?yún)⒖计矫?，點(diǎn)擊“配合”按鈕，在參考平面和無人機(jī)裝配模型之間創(chuàng)建一個“平行”和“重合”的配合關(guān)系；然后點(diǎn)擊“新建運(yùn)動算

例”，在“運(yùn)動算例”中拖動“時(shí)間軸”至14.1 s處，之后在模型界面拖動模型向上運(yùn)動500 mm。點(diǎn)擊播放按鈕，即可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)裝配模型上升的運(yùn)動仿真。動畫設(shè)置界面如圖12所示。

圖12 動畫設(shè)置界面

由于轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生升力，無人機(jī)向上運(yùn)動，上升運(yùn)動仿真效果如圖13所示。

圖13 無人機(jī)上升運(yùn)動仿真效果

4 結(jié)語

本文基于SolidWorks三維建模軟件，完成了小型四旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配及運(yùn)動仿真。仿真結(jié)果生動形象，為教師制作出精美的虛擬教學(xué)模型，使得學(xué)生可以直觀地對無人機(jī)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、精密模塊等進(jìn)行深入式的學(xué)習(xí)，也為SolidWorks軟件的學(xué)習(xí)者提供了有效參考。