科技创新论文-四轴航拍飞行器动力系统的设计.doc

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21924 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31956 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62.2动力系统我们知道，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82.3控制系统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113.2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19XXD-A2212电机的工作电压为716VDC，小于人承受的最大电压，因此是安全的，其安全电流为330A，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，它的正常工作与否直接决定着飞行器的运动，因此，在选择电池时需要慎重考虑，再者，为了满足飞行器自身动力的需求，又不加重整个飞行器的重量，经过对飞行器功率推算我们选择了ACE2200mah 20C 11.1V航模电池（图19），充电器选择301平衡充。4.3电调无刷电机的转速控制通过改变电机电枢电压接通时间和通电周期比例值即占空比来改变平均电压的大小实现的。图20 一台航拍四轴不仅电机要好，电调一样不能疏忽。电调也就那么几个品牌可以选择。好一点的主流品牌好盈，蜘蛛，中特威。航拍电调的标杆是好盈铂金30A电调了。以响应快速，细腻的油门手感而受到玩家的亲赖。价格也不贵。因此，本项目选用好盈铂金30A电调。电池电调1电调2电调3电调4电机1电机2电机3电机4图21第五章 用途与发展5.1功能与应用小型的四轴飞行器可以自由地实现悬停和空间中的四轴飞行器自由移动，具有很大的灵活性。此外，因为它结构简单，机械稳定性好，所以成本低廉、性价比很高。主要的应用是玩具、航模，以及航拍，新的应用也在不断的拓展之中。图22图235.2技术前沿到2012年左右，国际上普遍认为四轴飞行器的控X650 Pro制已经不再是学术研究问题，而是成熟的技术。学术研究的方向也转向了基于四轴飞行器做智能导航或者多飞行器的编队控制。四轴飞行器的智能导航指的是利用机器视觉技术、人工智能技术让四轴飞行器能像人一样在复杂环境中活动。多飞行器的编队控制是指同时控制多个飞行器，或者让多个飞行器自主编队飞行。总之，四轴飞行器未来的应用前景很广阔，它的发展必将改变人们的生活和生产方式。参考文献：1赵晨.四旋翼无人机应用J湖北电力.2012.第36卷第6期：35-36.2岳基隆.微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析J.电光与控制.2010.10.第17卷第1期;28-30.3刘焕华.小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计D;硕士学位论文,上海,上海交通大学,2011.4彭军桥.四轴蝶形飞行器D;硕士学位论文,上海,上海大学,2001.5秦永元.惯性导航M.北京：科学出版社，2006:289-300.6Perring A,Szew czyk R,Tygar