毕业设计-便携式四轴飞行器的设计【全套设计含CAD图纸、SW三维模型、毕业论文】
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全套设计含CAD图纸、SW三维模型、毕业论文
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设计【含CAD图纸
SW三维模型】
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四轴飞行器三维模型图纸
四轴飞行器三维模型图纸
轴飞行器CAD三维模型
【毕业设计】
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1 绪论1.1课题研究背景四轴飞行器是多轴飞行器的一种，其工作方式为四个螺旋桨成“十”字型或者“X”字分布在机身四周，通过内置的控制系统调节来协同进行工作。四个螺旋桨的高速旋转产生气流来抵消自身的重量，可以实现自主飞行或者遥控飞行，随着微系统和低功耗微电子芯片的发展，四轴飞行器的发展在搁置多年之后，近年来得到了迅猛的发展，其优秀的性能，灵活的姿态控制，越来越得到人们的青睐。如今四轴飞行器广泛应用于侦察勘测，数据采集，通信中继等领域，无论是在军事行动中，还是民间生活工作中，总是不乏它的身影。得益于四轴飞行器制作成本较低，姿态保持平稳，可悬浮等优点，它的广泛应用极大的降低了人力物力成本5。早在20世纪50年代，人们就注意到了旋翼飞行器的优秀性能，比如现在大家早已熟悉的直升机，然而，相对于固定翼无人飞行器的发展速度，旋翼无人飞行器的发展却极为缓慢，甚至在一段历史时期内出现了停滞，这是由于旋翼飞行器，尤其是多轴旋翼飞行器的控制相对于固定翼飞行器来说，控制系统较为复杂，早期的技术水平无法实现旋翼飞行器的准确控制。但是不可否认的是，旋翼飞行器有其独有的优点：1）四轴飞行器的机械结构简单，只需要四个螺旋桨能够准确且灵敏的协调即可实现控制，飞行灵活。2）随着科技水平的进一步发展，得益于算法控制的四轴飞行器可以实现自主起飞降落，且在飞行过程中可以实现多种飞行姿态，比如垂直悬停，俯仰升降，偏航转向等。3）四轴飞行器的结构紧凑，相比于固定翼飞行器较长的机翼限制，四轴飞行器能够应用于更复杂的场景。这些突出的优势决定了多轴飞行器在未来也会有更广阔的市场。从旋翼飞行器的概念出现以来，各种结构的旋翼飞行器先后涌现，其中圆盘状的飞行器最为引人注目。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。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。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。四轴飞行器飞行方式新颖，结构紧凑，居简称为当前飞行控制领域的研究热点6。 四轴飞行器与其他飞行器相比，其结构简单飞行灵活，比起传统的固定翼飞行器，它更容易接近任务目标，更重要的是四轴飞行器的研究涉及众多的领域的高、精、尖技术，例如：空气动力学，控制算法，传感技术，通讯技术，材料学等，如今随着四轴飞行器在军事行动如目标侦查，遥感探测，民间如电影制作，视频转播，以及在灾害出现时的受灾情况统计，受灾人员搜寻等等诸多方面体现出了极高的价值，这也是如今四轴飞行器蓬勃发展的一个促进因素。1.2 国内外研究现状随着近年来微电子芯片、微系统、数据算法的蓬勃发展，配合高速的低功耗处理器，四轴飞行器的发展有了重大突破，四轴飞行器日益显现出来的广阔应用前景和使用价值，使其在短时间内吸引了大批科学研究者的目光。以下介绍了一些具有代表性的四轴飞行器的发展历程：1.1907 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。2.1921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。3.1924 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。4.1956 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9。此后几十年，四轴飞行器一直没有太大的发展，直到近年来随着微系统，传感器，控制技术理论的发展，四轴飞行器又引起的人们的再次关注。而如今我国的大疆创新科技有限公司凭借优秀的设计思路，先进的控制算法，已经成为全球第一的四轴飞行器制造中心。大疆公司最新产品精灵3，如图1-1所示：图1-1大疆Phantom3（精灵3）四轴飞行器Fig.1-1 DJing Phantom3 Four axis aircraft 值得一提的是，随着众多开源系统的出现，针对的多轴旋翼飞行器的开源控制系统也越发的成熟，其中MultiWii开源项目受到广大科研工作者的喜爱，其成熟的控制体系，优秀的算法结构，以及丰富的研究资料为四轴飞行器的发展做出了不可磨灭的贡献。 基于MultiWi开源项目开发的AIR飞行器如图1-2所示：图1-2 AIR四轴飞行器示意图Fig. 1-2 AIR Four axis aircraft四轴飞行器根据功率及尺寸又分为大四轴和小四轴，大四轴相对来说功率大，飞行时间和距离要远，但是太过复杂的狭小环境难以进入，而小四轴续航时间距离等有限，但是得益于小巧灵活的机身尺寸，更适合人无法进入的狭小环境。典型的大四轴飞行器，如图1-3所示 图1-3 典型大四轴飞行器Fig.1-3 A typical Four axis aircraft而小型四轴飞行器得益于成本低廉，门槛较低，结构更是多种多样，如图1-4所示图1-4 小四轴飞行器Fig.1-4 MINI Four axis aircraft四轴飞行器的正常工作离不开飞控板的支持，图1-5为MWC开源飞控板图1-5 MWC四轴控制系统Fig.1-5 MWC Control systemMWC控制板可以根据用户需求的不同，将多种不同组合的传感器设计在同一块PCB板上，使得控制系统结构紧凑，体积小巧，也更加灵活。1.3 课题的应用方向及研究内容1.3.1 本课题四轴飞行器的应用方向从各方面的报道可以看出，目前四轴飞行器正处于一个高速发展的阶段，四轴飞行器越来越多的出现在我们的生活当中，体育赛事转播、建筑航拍、电影拍摄等等，方方面面总不乏四轴飞行器的身影，总结起来说，四轴飞行器可以概括为以下几种应用场景：1）军事侦查。四轴飞行器的紧凑结构，小巧体积决定了它难易被察觉，因此它可以到达地势险要或者人员无法进入的地方，能够及其靠近的侦查目标，并实时反馈会信息。2）军事突袭。武装过的四轴飞行器可以携带机枪弹药等，可以无需太多准备就对敌方发起突击，而且由于其灵活性以及自主控制系统的应用，使其难以被击落或者干扰。3）通信干扰或中继。四轴飞行器可用于对某区域的精确信号干扰或通讯中断的地方进行信号中继。4）民用航拍。不可否认，四轴飞行器已经实实在在的出现在我们的生活的方方面面，最为突出的就是电视节目的转播和特技镜头的拍摄9。本课题准备将四轴飞行器应用在目前发生频率较高的一个场景中：事故或灾害发生时的人员搜救及受损状况侦查。四轴飞行器，尤其是小四轴飞行器突出的灵活性，多功能可拓展性使其完全可以胜任抗震救灾中的先遣侦察员角色。目前当灾害发生出现人员伤亡时，冲在前线的往往是广大的官兵战士，而诸多的救灾人员常常因为当地环境的复杂情况的限制，无法及时了解现场的损伤状况。且很多情况下，因为条件有限，当遭遇险情时，虽然四轴飞行器可以很好的代替人来完成很多任务，但是受限于四轴飞行器的结构，尤其是四轴飞行器的两组螺旋桨必须保持在机身的周围，使四轴飞行器的便携性受到了极大的限制，所以很多极端条件下不可能再携带相对来说笨重且易受损的四轴飞行器进行救援任务。针对目前大部分四轴飞行器结构上所存在的问题，本课题拟对四轴飞行器的结构便携性提出设想，将四轴飞行器的结构进行重新设计，最终解决四轴飞行器的局限性，为其在更广阔的场景中应用的实现提供铺垫。1.3.2 课题研究的主要内容上文中针对目前四轴飞行器的局限性做出了分析，提出了将四轴飞行器做便携化设计的设想，同时还将对四轴飞行器的飞行特性及控制原理进行讲解讨论，本文的研究内容包括以下几个方面： 1）四轴飞行器的飞控算法 飞控可以说是四轴飞行器的心脏，也是现在四轴飞行器的研究热点，本文将介绍四轴飞行器飞控板的各个控制芯片以及如何采集数据并进行融合来实现对自身运动状态的控制5。2）通信方法和控制端本课题最终要实现四轴飞行器的便捷控制和数据的实时传输，文中将采用目前发展极为成熟的Wi-Fi通信协议，通过手机实现对四轴飞行器进行控制。3）飞行器的便携化设计这也是本课题的研究重点，本课题的设想是让飞行器变得更加便携，变得随手可用，而不需要各种背包箱子之类的保护措施来携带，且能实现随时待命的工作状态，极大提高工作效率，并降低人力物力成本。1.4关键技术及创新点本课题所研究讨论的四轴飞行器是多轴旋翼飞行器的一中，目前四轴飞行器的控制系统正处于一个蓬勃发展的阶段，但目前的四轴飞行器因为飞行原理的关系，其工作时的机械结构基本上没有再改变的可能，然而本课题需要的是便携性的改进，所以目前面临的关键技术有：1）元器件的高度集成以及元器件的轻量化改进：这样一方面减轻了飞行器的自身重量，提高工作效率，另一方面，控制体积减轻了携带人员的携带压力，所以需要采取体积小，轻量化的模块，并尽可能提高系统集成度。2）四轴飞行器非工作状态（即携带状态）的旋翼折叠化改造：本文提出设想，在携带状态下和工作状态下使飞行器处于两种状态，并可以快速且方便的来回切换，在携带过程中不需要过多的担心四轴飞行器的机械结构受损，在工作状态时又可以保留其所有的优秀性能。3）动力能源：以轻量化便携化为标准，在选用动力能源是需要选择能量密度高的能源9。总结目前所做的工作，课题的创新点如下：1）对四轴飞行器的飞行原理进行探讨论述。2）在遵循四轴飞行器工作原理的前提下对四轴飞行器的机械结构进行探讨，最终解决其携带性不足的缺点，使其能应用到更多更广阔的场景中。3）遵循本文的便携性论点，对材料的选择进行探讨，在满足飞行器机械设计要求的前提下对四轴飞行器的体积，质量进行优化，进一步增加其便携性。1.5论文组织结构论文内容分为五个部分，各部分内容介绍如下：第一章：绪论该部分重点描述了目前国内外多轴旋翼飞行器的发展现状，分析了四轴飞行器的控制研究意义和应用前景，提出了本课题主要研究方向和应用方向。第二章：系统方案及原理分析该部分主要对四轴飞行器的机械结构设计方案和四轴飞行器工作原理进行了详细描述，详细介绍了四轴飞行器便携化改进的可行性。第三章：控制系统软硬件的设计该部分主要对四轴飞行器的控制系统进行论述，控制系统采用目前比较热门的MWC开源方案，所用到的系统模块也分别进行了详细介绍。第四章：便携式四轴飞行器的样品测试结果和性能分析该部分给出了最终的设计方案，并实施方案作出了样品，根据实际测试对测试结果进行分析，同时总结了四轴飞行器设计中存在的问题和改进方案。第五章：总结与展望该部分对课题的讨论研究进行了反思总结，总结除了设计中存在的缺陷不足，并对以后的研究工作提出了展望。2 四轴飞行器的机械结构设计2.1 系统方案及原理分析 2.1.1 前言四轴飞行器属于旋翼多轴飞行器的一种，四轴飞行器的工作方式为两对旋翼协同工作，两组螺旋桨旋转方向相反，一方面利用力的相互作用来抵消螺旋桨工作过程中个螺旋桨产生的反向扭矩，另一方面，通过对两组螺旋转速的调节来改变螺旋桨产生的扭矩和升力，从而实现对飞行器飞行姿态的控制。2.1.2 四轴飞行器工作状态及飞行原理四轴飞行器的飞行原理和飞行姿态如图2-1所示。图2-1 四轴飞行器的垂直运动Fig.2-1 Four axis vertical movement of aircraft（1）垂直运动在图2-1中，四轴飞行器的两组电机转向相反，即电机1与电机4转向相反，电机2与电机3转向相反，四个电机同时工作，此时电机1和电机4、电机2和电机3的反向扭矩相互抵消，保证了四轴飞行器在xy平面的平衡，此时同时增加四个电机的转速，螺旋桨的升力增大，当螺旋桨产生的升力大于机身自重时，四轴飞行器在z轴方向做正方向运动，即上升运动，同理，当同时减小四个电机转速时，螺旋桨升力减小，当升力小于机身自重时，四轴飞行器在Z轴方向做负方向运动，即下降运动，在此过程中，保证四个电机的转速相同是保证四轴飞行器实现垂直运动的关键。图2-2 四轴飞行器的俯仰运动Fig.2-2 Four axis aircraft pitch motion（2）俯仰运动在图2-2中，俯仰运动需要依靠四个电机的变速来实现，如图所示，在四轴飞行器进行俯仰运动时，需要保持电机2和电机4转速相同且不变，这样保证了四轴飞行器在Y轴方向上的平衡，然后增加电机1的转速同时降低电机3的转速，这样四轴飞行器的尾部上升，头部下降，做俯冲运动，同理当减小电机1的转速，增加电机3的转速时，四轴飞行器做后仰运动，在此过程中，为了保证总体扭矩及总体拉力的不变，电机1和电机3的转速变化应该是等值变量。图2-3 四轴飞行器的滚转运动Fig.2-3 Four axis aircraft roll motion滚转运动俯仰运动原理相同，在图2-3中，电机1及电机3的转速保持不变，这样四轴飞行器在X轴保持平衡，此时等量改变电机2和电机4的转速变量，就实现了电机的顺时针或者逆时针滚转运动。图2-4 四轴飞行器的偏航运动Fig.2-4 Four axis vehicle yaw motion偏航运动四轴飞行器的偏航运动主要依靠反扭矩来实现，四轴飞行器的平衡主要依靠两组电机反向转动产生的反向扭矩相互抵消来实现，在四轴飞行器的偏航运动中，依然需要保证每组电机转速相同来保证四轴飞行器在XY平面的平衡，与四轴飞行器垂直运动不同的是，相邻电机之间需要有转速差，即电机1与电机4转速不同，电机2与电机3转速不同，增大电机1和电机3的转速，降低电机2和电机4的转速，此时电机1和电机3所产生的反向扭矩大于电机2和电机4所产生的扭矩，飞行器在XY平面受到了一对水平的力，依靠该力的来使飞行器绕Z轴转动做出偏航运动，在偏航运动动，依然要保证电机转速增减量的相等，来保证总升力的不变。前后运动如图2-5，四轴飞行器的前后运动与俯仰运动的工作原理相似，同样需要保证电机2和电机4的转速不变且相等，然后增加电机3的转速，减小电机1的转速，此时四轴飞行器为了保持平衡会与xy平面形成一个一个夹角，也就是俯仰姿态，这时电机2与电机4所产生的升力会与Z轴形成一个夹角，此时根据力的分解原理，所产生的升力的反力会给四轴飞行器一个水平方向的分力，在该水平作用力作用下，四轴飞行器实现了前后运动。图2-5 四轴飞行器的前后运动Fig.2-5 Four axis aircraft before and after exercise图2-6 四轴飞行器的侧向运动Fig.2-6 Four axis vehicle lateral movement侧向运动在图2-6中，由于四轴飞行器结构的对称性，四轴飞行器的侧向运动原理与四轴飞行器的前后运动工作原理完全相似以上便是四轴飞行器的工作原理。2.2 四轴飞行器的设计方案四轴飞行器结构需要满足以下特点：（1）四轴飞行器需要四个螺旋桨同时工作，可以产生较大的升力，因此可以负载更多的载荷，但是由于螺旋桨工作组个数越多，飞行器的自重越大，控制系统也会越复杂，所以四轴无疑是一个最合适的选择（2）四轴飞行器的四个螺旋桨需要对称分布，来保证四轴飞行器原理的实现，同样也是由于四轴飞行器的对称性，使得四轴飞行器的控制系统变得更加容易实现。 （3）根据四轴飞行器的飞行原理，四轴飞行器应该能够实现垂直运动，偏航运动，俯仰运动，前后运动和滚转运动等飞行姿态。（4）四轴飞行器的四个螺旋桨应该处于相同的高度，这样进一步简化四轴飞行器的控制系统设计，同时也使得四轴飞行器结构更合理，飞行姿态实现也相对要容易。 根据以上分析，对四轴飞行器模型建立两个坐标系：地理坐标系和机体坐标系。地理坐标系主要关系到四轴飞行器的飞行方向，机体坐标系则是四轴飞行器自身结构所产生的坐标系。四轴飞行器的四个螺旋桨分别处于机体坐标系的XY轴上且到原点的距离相等。且相邻象限的电机所携带的螺旋桨方向相反。图2-7 四轴飞行器坐标系示意图Fig.2-7 Four axis aircraft coordinate system 由以上分析，本文设计的四轴飞行器的设计示意图如图2-8所示.图2-8 四轴飞行器的结构设计Fig.2-8 Four axis of aircraft structure design图中包括以下几个部分：轴翼部分：该部分固定安放在机身的四个轴的末端，为整个飞行器的动力所在，其中包括螺旋桨(正、反桨)、电机以及一些固定部件。 飞行控制部分：该部分固定在四轴的中心，控制整个飞行器的运动姿态，其中包括主控制器部分、遥控接收部分、姿态采集部分等等。 机身：整个机架用于固定旋翼模块和飞行控制模块，另外，在飞控部分和电机之间，根据设计的不同，可能需要安放专门的电子调速器来调节电机的转速。 2.2 四轴飞行器机械结构的设计2.2.1 前言通过上文中对四轴飞行器工作原理和工作时机械结构的讨论分析，可以得出，限制四轴飞行器便携性的最大原因出现在四轴飞行器的四根螺旋桨的支撑梁上，其“十”字形或者“X”型的结构保证了四个螺旋桨的对称性，从而保证了四轴飞行器的各种飞行姿态可以实现，故在此对四轴飞行器的结构提出大胆设想：为四轴飞行器的四根支撑梁增加一个自由度，使其在工作时和非工作时处于两种状态，当四轴飞行器处于携带状态时，四根支撑梁旋转收入机身体内，一方面对螺旋桨进行保护，另一方面极大缩小四轴飞行器的尺寸，提升其携带性；当四轴飞行器处于工作状态时，四根支撑梁旋转到工作位置，遵循四轴飞行器工作时的基本原理，保证四轴飞行器的飞行姿态的实现。2.2.2四轴飞行器机械结构的便携式设计对于四轴飞行器的初步设想是在支撑梁上增加一个自由度，增加位置把它定在机身和支撑梁的连接处，使其得以旋转。2.2.2.1四轴飞行器机架结构的设计初步设计的四轴飞行器的便携式结构如图2-9所示：本设计中的四轴飞行器设计尺寸为120mm*60mm*20mm,飞行器分为工作状态和非工作状态，两种状态下的四轴飞行器分别满足工作状态下的四轴飞行器原理以及便携性设计的需要。四轴飞行器的工作状态：当四轴飞行器处于工作状态时，依据四轴飞行器的工作原理，两对螺旋桨需要成对称结构，即保持”X”型或者“十”字型，这是四轴飞行器正常工作的基本原则，因此，在设计过程中，首先要考虑的是四轴飞行器支撑梁对称，故而设计如图2-9的机械结构布局。图2-9四轴飞行器的工作状态机架结构示意图Fig.2-9 Four shaft work condition of the aircraft四轴飞行器的非工作状态：四轴飞行器的非工作状态（携带状态）如上图2-10、图2-11所示，当四轴飞行器处于非工作状态时，首先需要考虑的就是要缩小四轴飞行器的尺寸，且尽量让四轴飞行器处于一个规则的形态，此设计中把四轴飞行器结构设计为矩形，在保证机身有足够的空间来容纳后期需要添加的电子控制元件的前提下，预留出给支撑梁、螺旋桨及工作电机的容纳空间，由于机身与支撑梁连接处的对称性分布，导致了当支撑梁收入机身内时无法保证其在机身内的规则分布，因此，尝试改变支撑梁的形状来改进其规则分布。图2-10 四轴飞行器的非工作状态1Fig.2-10 Four axis non-work state of aircraft 1图2-11 四轴飞行器的非工作状态2Fig.2-11Four axis non-work state of aircraft 2图2-12 机身上面板Fig.2-12On the fuselage of the panel机身上面板如图2-12，机身上面板之所以不能与下面板一样选择同样的标准矩形，主要是考虑到当支撑梁由非工作状态变为工作状态时，能够便于从机身内拉出，因为在机身上面板进行了一定的切除，为拉出支撑梁预留空间。图2-13 机身侧视图Fig.2-13The fuselage side elevation机身上下面板之间的连接采用了M3双头螺栓标准件，考虑到驱动螺旋桨的电机为720空心杯高速电机，电机在支撑梁上处于躺卧状态，需要主轴直齿轮和端面齿轮来配合实现电机输出动力的转向，同时考虑到螺旋桨自身的高度，故而上下面板之间预留出20mm的距离来容纳工作元件。2.2.2.3 四轴飞行器支撑梁的设计在支撑梁的改进中需要遵循两点原则来保证四轴飞行器工作状态不受影响：1）工作状态下四根支撑梁到机身的距离绝对值相等。2）工作状态下四根支撑梁分别在对角线上保证两两对称。因此在支撑梁的设计上，本设计采用图2-13的思路：图2-14 四轴飞行器支撑梁弯梁设计Fig.2-14Four axis aircraft support beam bending beam design图2-15 四轴飞行器支撑梁直梁设计Fig.2-15Four axis aircraft support beam and straight beam design在图2-14和图2-15中，弯梁两孔之间距离绝对值和直梁完全相等，保证了无论支撑梁与机身无论成什么角度，支撑梁上螺旋桨的位置到机身的距离始终相等；弯梁的最大宽度是直梁宽度的两倍，保证了两个支撑梁处于携带状态时，在机身内所占据的空间最小且处于一个规则的形态。同时，螺旋桨放置方向跟机身较长边方向保持一致，同时，螺旋桨和支撑梁的总高度小于机身上下面板的高度，保证螺旋桨能被机身完全包裹保护。2.2.3电机螺旋桨的优化设计本设计是以便携为主要论点进行讨论设计，故而机身尺寸方面要尽可能的紧凑，那么首先来讨论主要工作元件的尺寸数据，如图2-15所示图2-16 720空心杯电机尺寸数据Fig.2-16 720 hollow cup motor size data由图2-16可以看出720空心杯电机的总长度为24MM，然后如果按照目前主流的方法来连接螺旋桨旋翼的话，尺寸会在此基础上再增加一部分，如图2-16所示图2-17 720空心杯电机搭配75mm螺旋桨旋翼Fig.2-17 720 hollow cup motor with 75 mm screw前文中已经提到，我们机身高度设计定在20MM，通常大多数采用的电机螺旋桨配合方式已经远远超出了我们的尺寸设计范围，因此，我们需要讨论设计电机和螺旋桨的紧凑型配合方式。依据720空心杯电机的尺寸，电机轴向尺寸24mm比较长，但是径向尺寸7mm远远小于机身既定尺寸20mm，故做出设想：电机轴向方向跟支撑梁水平放置，然后采用齿轮组对电机扭矩进行转向，由此来缩减电机工作组的轴向尺寸，使其符合设计要求，因为对电机工作组做出如下设计：整个飞行器设计质量预计在200g以内总计四个螺旋桨，单个所产生的升力大于50g即可克服重力是飞行器做垂直上升运动。本设计中采用75mm螺旋桨标准件，选用市面上主流的模数0.5，齿数为8，孔径1mm的直齿齿轮和模数0.5，齿数为15，孔径2mm的端面齿轮。下面进行电机工作组所能产生的升力进行计算，由上个章节中四轴飞行器的飞行原理可知，四轴飞行器在保持水平悬停时，四个螺旋桨的转速是相同的，因此我们只需计算其中一个电机工作组所能产生的升力然后得到的数据变为四倍即可得到整个四轴飞行器所能产生的升力，当所能产生的升力大于机身自重时，四轴飞行器即可实现垂直上升，由四轴飞行器的飞行原理可知，垂直上升的实现，意味着其余的姿态也可以实现。主轴齿轮的模数为0.5，齿数为8，传动轴齿轮的模数为0.5，齿数为15，因此，根据传动比的计算公式可以得出该齿轮组的传动比为： （2-1）查询720空心杯的功率参数可知，720空心杯电机空转转速为46500r/min，因为空心杯电机要驱动齿轮组和螺旋桨工作组，因为我们保守把720电机的负载转速定为2000r/min。根据螺旋桨升力的计算公式，我们可以得出本设计中螺旋桨的升力：首先我们可以得出从动轴转速： （2-2） 根据螺旋桨升力的计算公式我们可以得出单个螺旋桨的升力： 首先给出螺旋桨升力的计算公式：螺旋桨拉力计算公式： （2-3）式中：D直径，cm；d 螺距，cm；W桨宽，cm；n 转速，r/s；pa大气压力，MPa；k 经验系数。因此计算过程如下：由计算结果可知单个螺旋桨负载时工作组所能产生的拉力为230.83g远远超出了飞行器的设计重量，因此电机，齿轮以及螺旋桨的选择符合设计要求。图2-18 电机工作组的齿轮组设计Fig.2-18 The gear set design of the working group如图2-18所示，电机输出轴配合一个模数0.5，齿数为8，齿轮齿宽为5mm的主轴直齿轮，同时添加一个直径2mm长度15mm的传动轴，传动轴与支撑梁之间采用2个内径2mm外径5mm的标准深沟球轴承配合限位，同是传动轴上安装一个模数0.5 齿数15，齿轮齿宽8.5mm的断面齿轮，于主轴齿轮组成一个减速齿轮组，整个电机工作组的高度为15mm，小于机身既定尺寸20mm，满足要求。四根支撑梁采用6061铝合金材质，6061铝合金的抗氧化耐腐蚀特性，使其得到了广泛的应用，其价格低廉，刚性适中，密度较小，符合四轴飞行器支撑梁的要求。其具体性能参数如下：表2-1 6061铝合金性能参数Table2-1 The performance parameters of 6061 aluminum alloy材料名称6061铝合金疲劳强度62.1 MPa泊松比0.330延伸率25%极限抗拉强度124 MPa密度2.69g/cm受拉屈服强度55.2 MPa弹性系数68.9 GPa弯曲极限强度228 MPa2.2.4 四轴飞行器机身的设计与材料选择四轴飞行器的机身尺寸设计以便携性为前提，因此机身尺寸不宜太过庞大，否则就失去了优化支撑梁的意义，故四轴飞行器机身尺寸拟定为120mm*60mm*20mm。四轴飞行器的整体重量控制在150g以内，因此，机身上下面板放弃使用合金钢材料，因为密度过大，机身重量增加，四轴飞行器的工作效率不够高，同时也排除了铝合金材料，相对于合金钢材料来说，铝合金材料的密度虽然有所下降，但是其刚性不足，较好的延展性并不符合机身刚性的要求，因此，常见的合金材料不能选用，故提出采用目前应用较为广泛的碳纤维材料，该材料具有许多优良性能，碳纤维强度高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，疲劳强度高，热膨胀的系数也比较小，耐腐蚀。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。完全满足元器件的工作环境，且刚性优秀，同时具备一定的抗性变能力，以下是碳纤维材料的性能参数：表2-2碳纤维性能参数表Table2-2 Carbon fiber performance parameters of the table中文名碳纤维材料本质微晶石墨材料抗拉强度3500MPa抗拉弹性模量230430GPa密度1.52.0g/cm机身面板采用2mm厚碳纤维板，上下面板的设计尺寸如下：图2-19 机身上表面尺寸Fig.2-19 On the fuselage surface size图2-20 机身下表面尺寸Fig.2-20 Under the fuselage surface size2.2.5材料强度校核对单根支撑梁进行强度校核情况如下：图2-21 支撑梁强度校核情况Fig.2-21 Support beam intensity图2-21中采用solidworks中的simiulation组件对单根轴施加100g的压力进行强度校核，其结果分析显示完全符合强度要求，因此材料选择合适。对机身上下面板的强度校核：图2-22机身上面板强度校核Fig.2-22 The fuselage intensity on the panel图2-23 机身下面板强度校核Fig.2-3 Under the fuselage panel intensity在校核中，对面板施加500g压力，校核情况如图2-22、图2-23所示，由此可知，该设计完全满足设计要求。2.3 本章小结经过上述分析计算，最终设计出了可行性较高的一套机械结构方案，总结如下：本设计中的四轴飞行器始终以便携式作为最基本的准则，因此在设计过程中，对四轴飞行器的关键结构做了大量的优化和尺寸精简，同时又要保证四轴飞行器的性能没有损失，四轴飞行器的携带尺寸为120mm*60mm*20mm，大概相当于市面上流行的手机尺寸大小，便携性优秀；四轴飞行器的机身骨架采用2mm厚碳纤维板，机械结构稳定，耐腐蚀性能优秀，且进一步降低了四轴飞行器的自身重量，对四轴飞行器的工作效率有所提升；四轴飞行器的支撑梁采用铝合金材质，通过加工中心做成一个减速机构，使电机主轴转速得以改变，且缩减了机身尺寸，且稳定性好，最终的四轴飞行器机械结构如图2-24、图2-25： 图2-24 四轴飞行器携带状态 图2-25 四轴飞行器工作状态Fig.2-24 Four axis aircraft carrying state Fig.2-25 Aircraft working condition3 四轴飞行器的控制系统设计3.1MWC四轴飞行器控制系统概述今年来随着微电子系统的高速发展，低功耗高速芯片的涌现，四轴飞行器的控制系统的设计变得越来越容易实现，且四轴飞行器的控制系统可扩展性极强，本设计中采用的目前最热门的开源控制系统：MWC飞控系统。MWC固件简介MWC是MultiWiiCopter的缩写，它并不是指硬件产品，而是开源固件。此固件的原创作者是来自法国的Alex，他为了打造自己的Y3飞行器而开发了最初的MWC固件(原创交流帖与官网的链接在最下方)。几年来经过许多高手的参与及共同努力，开发进度越来越快。现在MWC已经基本成熟，可以支持更广泛的硬件平台、外围设备及更多飞行模式，让运行MWC的飞控硬件成为国外开源飞控市场上占有率最高之一的产品。MWC固件支持的硬件平台MWC固件是用ArduinoIDE来编写，支持Arduino发布的几种主要的AVR开发板ProMini/ProMicro/Mega等，也可支持使用STM32的Arduino兼容平台，但STM32目前无法体现出任何性能与端口上的优势，所以仍以AVR为主流，成熟、够用且稳定。本产品CRIUSMultiWiiStandardEdition(SE)v2.0是基于ArduinoProMini来设计，使用ATmega328P单片机。MWC固件支持的外围设备（1） 蓝牙调参模块-用安卓手机/平板电脑来调试参数（2） OLED显示屏模块-可作为机载状态/参数显示器，也可搭配遥控器进行参数调试（3） I2C-GPS导航板-328P飞控可通过它连接GPS，用于定点/自动返航以及航点飞行功能（4） GPS-用于定点/自动返航（5）OSD-FPV必备，可显示飞控与GPS数据（6）数传模块-APC2XX/Xbee/3DRRadio等，用于遥测功能（7）光流模块-用于定点飞行（8）声纳模块-用于低空高精度定高飞行MWC固件支持的飞行器模式下载最新的固件可支持以下飞行器模式，可自由在源代码中选择所需的模式并上传到飞控。GIMBAL-独立的云台稳定器（非飞控用途）SINGLECOPTER-VTOL单轴BICOPTER-2轴阿凡达飞行器Tricopter-Y型3轴QUADP-经典4轴模式QUADX-4轴模式Y4-Y型4轴Y6-Y型6轴HEX6-6轴模式HEX6X-6轴模式OCTOX8-8轴4模式OCTOFLATP-8轴水平模式OCTOFLATX-8轴水平模式FLYINGWING-飞翼VTAIL4-V型尾翼4轴（飞行方式同模式，转向更灵活，主要作为固定翼来飞行）AIRPLANE-固定翼3.2四轴飞行器飞控系统的设计3.2.1四轴飞行器飞控板的硬件设计本设计中的四轴飞控板主控为Atmega32u4，配备六轴传感器MPU6050，MPU6050 中含3 轴陀螺仪和3 轴加速计。以下为飞控板所用到的芯片传感器信息。飞控板主控芯片为Atmega32u4：ATmega32是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega32的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。姿态控制传感器MU-6050：MPU-60X0 是全球首例9 轴运动处理传感器。它集成了3 轴MEMS 陀螺仪，3 轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP（Digital Motion Processor），可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后就可以通过其I2C 或SPI 接口输出一个9 轴的信号（SPI 接口仅在MPU-6000 可用）。MPU-60X0 也可以通过其I2C 接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。 飞控板运行修改过的开源MWC 飞控(全称MultiWii 飞控)，预留I2C 接口方便扩展；集成了WiFi 通信模块，通过专用手机软件App 来遥控；板载5V 和3.3V 电源系统，和有马达驱动电路,能直接驱动716、720、820 空心杯马达；带电源切换自动功能，USB 接口和电池接口能同时上电而不冲突。遥控飞控板的安卓手机软件App 能够完全模拟物理遥控器的功能，而且用户能够在视线完全脱离手机屏幕的情况下，准确操作摇杆，达到自由控制飞行的效果。单个马达最大驱动输出电流：3A飞控板尺寸：2.7c x 3cm 飞控板重量：4.3g整个电路板尺寸小巧，且可以用3.3v锂电池直接驱动，搭配370mHA锂电池，预计四个电机的工作时间为10分钟，后期可增大电池容量，来增加续航时间。图3-1是四轴飞行器飞控板的PCB原理图。图3-1 MWC飞控板PCB原理图Fig.3-1 MWC flight control board PCB schematic diagram如图3-1所示，PCB板上编号为37的位置放置Atmega32u4芯片，编号为25的位置放置MU6050传感器，在装配的过程中，要保证MU6050传感器处于机身中心位置且保持水平，这主要是由于四轴飞行器的飞行姿态主要靠MU6050传感器内的陀螺仪来感应。PCB板中B1，B2，B3，B4位置为驱动电机信号的输出位置。图中其余部分均按照设计手册来连接对应型号的电容和电阻元件等。图3-2Atmega32u4芯片原理图Fig.3-2 Atmega32u4 principle diagram of the chip图3-2 Atmega32u4芯片的原理图中可以得知在芯片安装时需要搭配的电容和电阻型号数据，为了保证芯片的正常工作，因此在PCB板的元器件焊接过程中要严格按照手册要求标准来焊接。图3-3 MU6050传感器原理图Fig.3-3 MU6050 sensor principle diagram图3-3为MU6050传感器的电路板连接原理图，依然需要按照要求来串联电容电阻元件保证传感器的正常工作，结合PCB板的原理图以及Atmega32u4芯片的原理图和MU6050传感器原理图，可以清晰的看出各个芯片之间的电路连接方式和各电容电阻元器件的安装方案，以上为四轴飞行器电路板的设计。 3.2.2飞控源码介绍3.2.2.1飞控源码配置文件conf.h详解MWC 通过conf.h 来配置飞控，下文对MWC 的conf.h 内容进行说明。一般来说配置MWC 主要包含下面几个：飞行器的类型；最大油门的最小油门；I2C 的速度模式；飞控板所使用的传感器；陀螺仪、加速计和数字罗盘传感器都是有方向性的，需要根据板子的情况设置。/* The type of multicopter 配置飞行器的类型*/#define GIMBAL/#define BI/#define TRI/#define QUADP /P 四轴#define QUADX /Q 四轴/#define Y4 /Y 四轴/#define Y6 /Y 六轴/#define HEX6 /6 轴/#define HEX6X /X 六轴/#define HEX6H / New Model/#define OCTOX8/#define OCTOFLATP/#define OCTOFLATX/#define FLYING_WING/#define VTAIL4/#define AIRPLANE/#define SINGLECOPTER/#define DUALCOPTER/#define HELI_120_CCPM/#define HELI_90_DEG本设计中四轴飞行器类型为Q四轴，因此，在配置时需要把“#define QUADX /Q 四轴”前面的/，即语句的注释符去掉，使其能正常编译。/* Motor minthrottle 马达最小油门*/* Set the minimum throttle command sent to the ESC (Electronic Speed Controller)This is the minimum value that allow motors to run at a idle speed */#define MINTHROTTLE 1300 / for Turnigy Plush ESCs 10A/#define MINTHROTTLE 1120 / for Super Simple ESCs 10A/#define MINTHROTTLE 1064 / special ESC (simonk)/#define MINTHROTTLE 1050 / for brushed ESCs like ladybird#define MINTHROTTLE 1150 / (*) /一般设置在10001200 之间/* Motor maxthrottle 马达最大油门*/* this is the maximum value for the ESCs at full power, this value can be increased up to 2000 */#define MAXTHROTTLE 1850 /一般设置在17002000 之间/* Mincommand */* this is the value for the ESCs when they are not armedin some cases, this value must be lowered down to 900 for some specific ESCs, otherwise they failed to initiate */#define MINCOMMAND 1000以上代码给出了飞控板驱动电机工作时的电机速度调整参数，这也是保证四轴飞行器电机可以工作的最为重要的设置，参数设置的原则应该从建议最小值递增，直到使四轴飞行器可以正常起飞降落为最合适区间。/* * independent sensors 使用独立的传感器* */* leave it commented if you already checked a specific board above */* I2C gyroscope 陀螺仪*/#define WMP/#define ITG3200/#define L3G4200D#define MPU6050 /MPU6050传感器，内置陀螺仪和加速计传感器/* Sonar */ / for visualization purpose currently - no control code behind/#define SRF02 / use the Devantech SRF i2c sensors/#define SRF08/#define SRF10/#define SRF23/* ADC accelerometer */ / for 5DOF from sparkfun, uses analog PIN A1/A2/A3/#define ADCACC/* enforce your individual sensor orientation - even overrides board specific defaults */加速度计传感器方向设置/#define FORCE_ACC_ORIENTATION(X, Y, Z) accADCROLL = Y; accADCPITCH = -X; accADCYAW = Z;/陀螺仪传感器方向设置/#define FORCE_GYRO_ORIENTATION(X, Y, Z) gyroADCROLL = -Y; gyroADCPITCH = X; gyroADCYAW = Z;/数字罗盘方向设置/#define FORCE_MAG_ORIENTATION(X, Y, Z) magADCROLL = X; magADCPITCH = Y; magADCYAW = Z;这段源码是有关对于传感器的选择，在前文提到过，我们采用的姿态控制传感情型号为MU6050，因此，这里我们需要选择对应的型号来使其可以正常被解析编译。以上为关键源码的介绍，当源码正常被烧录进芯片Atmega32u4后，传感器MU6050也会被正常解析出来，同时四轴飞行器的四个螺旋桨可以正常工作。3.2.2.2 姿态控制系统的设计这就为接下来的飞行器工作提供了可靠保障，接下来需要对电机控制系统和姿态控制系统进行调整，使四轴飞行器可以正常工作：四轴飞行器的姿态控制主要依赖MU6050传感器，所以要首先保证当四轴飞行器处于平放静止状态时，各项传感数据正常。传感器的校核需要用到PC端的上位机来调整，需要用到MultiWiiConf软件，操作方式如下： 图3-4 飞控板调试校核上位机Fig.3-4 Flight control board debugging check upper machine1） 首先使用标准USB数据线连接飞控电路板和PC机，然后打开MultiWiiConf软件，此时软件界面上会显示出飞控现在的各项传感器状态。2） 点击START按钮让飞控板跟上位机之间开始通讯，观察各项数据是否显示正常，然后依次对各项传感器数据进行校准，最后保存设置来使校准后的配置生效。当各项传感器数据校准之后，需要接着对电机转速进行调整，使其符合机身的尺寸及重量设计，这也是使飞行器正常工作的最后一个关键步骤：飞控板通过PWM 输出控制MOS 场效应管的开关来实现对马达转速的控制；下图是飞控板驱动电机的原理图，实现四个电机的分别控制，来保证各种飞行姿态的实现：图3-5马达驱动原理图Fig.3-5 The principle diagram of the motor drive电机转速的调整：下面是飞控板马达控制参考Arduino 参考代码，功能是通过变量throttle 来控制马达的转速。throttle 值范围为0到255，为0时马达停止转动，值越大马达转速越快。void setup()pinMode(5, OUTPUT);pinMode(6, OUTPUT);pinMode(9, OUTPUT);pinMode(10, OUTPUT);delay(100);void loop () int throttle = 8;/0255analogWrite(5, throttle);analogWrite(6, throttle);analogWrite(9, throttle);analogWrite(10, throttle);电机的工作状态：电机工作状态依靠PID值来控制，PID详细配置关系为：P 这是电机返回到其初始位置的矫正力量。较高的P值，将创建一个更强大的力量，抵制任何企图改变它的立场。如果P值太高，会震荡。增加P：它会变得更加固/稳定，直到P是太高了，它开始振荡。减少P的值： 这将启动控制漂移，直到P太低时，它变得非常不稳定。特技飞行：需要稍微较高的P。温和平稳飞行要求较低P。I 是一段时间进行采样，平均角的变化。增加I会增加更高的航向保持能力以保持整体的初始位置和减少漂移，但也增加了在返回到初始位置延迟也将减少P效果。减少将提高反应的变化，但增加的漂移和减少保持原来位置的能力也将增加P效果特技飞行：要求稍低的I。温和平稳飞行：需要稍高I。D 代表电机返回到原来的位置的速度。一个更高的D（因为它是负值，这意味着一个较低的数字- 即接近零），将意味着电机回到其初始位置，速度非常快增加价值为D：（请记住，这意味着一个较低的数字，因为它是一个负值）提高了偏差恢复的速度,但也增加了振荡的概率,也增加了P效果;降低为D值（记住，这意味着一个较大的数字，因为它是一个负值- 即进一步从零）恢复到初始位置变慢减少振荡也减少了P效果。特技飞行：增加D（记住，这意味着一个较低的数字，因为它是一个负值- 即接近零）温和平稳飞行：减少D（记住，这意味着一个较大的数字，因为它是一个负值- 即进一步从零）。下列因素会影响PID值：机架架重量/尺寸/材料/刚度电机-功率/扭矩/势头电机- 电机的距离电调- 功率曲线浆直径/螺距/材料机身平衡本小节中详细介绍了四轴飞行器的飞行控制系统设置，经过一系列的配置调整，四轴飞行器已经具备了飞行的条件，接下来我们需要为飞行器建立通信系统，使其可以被远程遥控，并能实时传回数据。3.3四轴飞行器的通信系统3.3.1前言四轴飞行器依赖通信系统来实现飞行器与本地控制端的交流，通信系统的组建又分为飞行器工作端和本地遥控端以及通讯协议三部分，下面将会介绍四轴飞行器的通信系统。本设计中四轴飞行器采用的通信协议为Wi-Fi通讯协议，主要考虑因素为：本设计的四轴飞行器控制端为手机控制，大部分手机都配置了Wi-Fi通讯模块，而之所以没有采取蓝牙方式则是因为蓝牙通讯协议相对于Wi-Fi通讯协议来说，通讯有效距离短，且传输速率低，相比之下采用Wi-Fi通讯协议更合适，效果更好。3.3.2四轴飞行器的通讯设置本论文设计中把四轴飞行器作为无线热点的服务端，即通过在飞控板上添加一个Wi-Fi模块来实现无线热点的建立,飞控板上电后，板上的WiFi 模块会建立一个地址为192.168.4.1，端口号为5000 的UDP 服务。飞控板与手机端APP软件的通讯方式为Wi-Fi UDP通讯；飞控板上的Wi-Fi模块跟主板通过UART串口通讯，通讯参数如下：通信波特率115200bps校验位NONE数据位8bit停止位1bit通信时，手机UDP 客户端发往飞控板WiFi UDP 端口的数据会被转发到飞控板的RX 端口（Arduino 的RX 端口）；而来自飞控板的TX 端口（Arduino 的TX 端口）的数据会通过WiFi模块发送到跟飞控板通信的手机UDP 客户端。具体飞控通信协议是作了稍微修改的MWC 飞控代码的通信协议，通信代码协议可见附录中飞控代码目录 下的Serial.ino 文件。手机端APP采用同样是MWC开源项目中的控制端程
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