旋翼飞行器说明书要点.doc

四 旋 翼 飞 行 器 四旋翼飞行器设计说明书 指导教师： 第一组： CNC13-1班 2013年12月 目 录一、绪论21.1引言21.2四旋翼飞行器的国内外研究现状2二、设计要求与设计思想32.1设计要求32.2设计思想3三、方案结构设计43.1多轴转化方面4 3.2动力学分析63.3能耗分析8四、典型零件强度校核84.1起落架校核计算：8 4.2螺栓校核计算：9五、材料选取及加工工艺95.1材料选取105.2加工工艺：10六、总结与展望11七、参考文献12 一、绪论1.1引言 任何由人类制造、能飞离地面、在空间飞行并由人来控制的飞行物，称为飞行器。在大气层内飞行的飞行器称为航空器，如气球、滑翔机、飞艇、飞机、直升机等。他们靠空气的静浮力或空气相对运动产生的空气动力升空飞行。飞行器不仅广泛应用于军事，在民用领域的作用也在增加。机载GPS和MEMS惯性传感器的飞行器甚至可以在没有人为控制的室外环境中飞行，因此国内外对此进行了大量研究。对飞行器的研究目前主要包括固定翼、旋翼及扑翼式三种，四旋翼飞行器在布局形式上属于旋翼的一种，相对于别的旋翼式飞行器来说四旋翼飞行器结构紧凑。四旋翼飞行器能够垂直起降，不需要滑跑可以起飞和着陆，从而不需要专门的机场和跑道，降低了使用成本，可以分散配置，便于伪装，对敌进行突袭和侦察。 四旋翼飞行器能够自由悬停和垂直起降，结构简单，易于控制，这些优势决定了其具有广泛的应用领域，不但具有一般战场需要的各种作战功能，比如侦查监视，为其他作战武器知识目标等，甚至可以作为投放武器的载体。目前国外四旋翼飞行器的研究蓬勃发展，美国、日本、德国等均具有此类研究项目且技术较为成熟。 1.2四旋翼飞行器的国内外研究现状 四旋翼飞行器的设计有两个阶段，在第一个阶段即20世纪初，法国科学家和院士Charles Richet制造了一个小型无人直升机，虽然该机不是很成功，但是启发了他的一个学生Louis Breguet，1906年下半年在Richet教授的指导下做完了他们自行设计的直升机实验。1907年，Breguet兄弟制作了他们第一个载人四旋翼飞行器，首次试飞载人飞行高度1.5米。虽然稳定性很差，但是当时飞行器只是处于起步阶段，Breguet兄弟在实现垂直飞行方面已取得了显著的成就。20世纪20年代初，George de Bothezat为美国陆军航空勤务部制作一个实验性四旋翼直升机，其巨大的六桨叶旋翼能够使飞行器飞行成功，但是该飞行器非常复杂、难于控制、需要飞行员很大的工作量，仅仅在顺风的情况下才能向前飞行，最终在1924年，美国军队取消了该四旋翼飞行器的研制。这一阶段设计出了载人四旋翼飞机，这是第一批成功的可垂直起降的飞行器。然而，早起原型机表现欠佳，后来稳定性较差，实用性和操控性低，所以载人四旋翼飞行器的发展几乎停滞。第二阶段即从21世纪初开始到现在，四旋翼飞行器的动力能源采用电能，逐渐被各国所接受，主要是无人机，广泛应用于军事、商业和工业领域。无人机主要包括两大类：固定翼无人机和旋翼无人机。旋翼无人机在许多方面要优于固定翼飞行器，具有更高的自由度、低速飞行的能力、悬停、室内应用等。四旋翼飞行器作为一种具有独特飞行性能的无人机，正越来越受到人们的重视，迅速成为国际上新的研究热点。由于市场上四旋翼飞行器的定位于专业高端航拍人群，且制造成本过高，搭载拍摄装置单一，本设计主要对四旋翼飞行器的整体结构格局方面，成本管控方面以及灵活转换拍摄装置方面进行探索，使本四旋翼飞行器具有低成本、大众化、稳定可靠性强等特点。2、 设计要求与设计思想2.1设计要求 1.飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源； 2.具备自主起飞和着陆能力； 3.中心架可以3、4、6、12轴通用； 4.能够以各种角度进行飞行与拍摄； 5.飞控板、电池、电调和马达的配合合理； 6.整体设计要美观、轻便。 2.2设计思想 四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，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，旋翼1 和旋翼3 顺时针旋转，旋翼2 和旋翼4 逆时针旋转，以保证飞行平稳，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板和外部设备4。从以下几点出发： 1）飞行器中心架的设计，要保证强度要求及整体结构（碳纤维杆安装、调控板安装、电池安装、起落架安装）的同时越轻越好。 2）飞行器启动设计。电机最大工作电流和电池最大供电电流相匹配，飞机起飞重量与电机拉力相匹配，且保证电机最大功率时的输出电流电调最大电流71.397N,因此起落架满足强度要求。 图4 起落架4.2螺栓校核计算：为保证电机的稳定旋转，螺栓的连接强度要满足抗剪强度与抗压强度。电机旋转对螺栓产生的抗剪强度10：由公式得出抗剪强度=4.35MPa查表螺栓的p为284MPa得出 满足强度要求。 连接件孔壁与螺栓光杆的抗压强度： 由公式得出抗压强度为6.148MPa 查表螺栓的 为284MPa得出满足强度要求。五、材料选取及加工工艺5.1材料选取本次方案中大部分零件采用3D打印机加工，为保证加工零件尺寸稳定、表面光泽好、易于进一步加工，因此打印材料的选择主要考虑成型性能与物理性能，下面为三种材料性能的对比7： 塑料种类成型性能物理性能ABS成型性能中等、收缩率小、冷却速度快、流动性能好冲击强度高、机械加工性能中等、化学稳定性PP能行性能较好、耐热性差、易变性、相比最轻耐老化、耐冲击、电绝缘性能好、易燃韧性差PLA成型性能中等、较轻不易变形、冷却速度快、收缩率小冲击强度高、稳定性好、机械加工较好、韧性好、易降解 根据三种材料的对比，PLA塑料在成型方面与后期机械加工和稳定性方面都比较好，而且PLA塑料易于降解不会造成污染，因此本次设计的零件的材料以PLA塑料为主。5.2加工工艺： 飞行器加工件主要以中心架与起落架和航拍装置为主，材料主要以PLA塑料为主采用3D打印机加工，PLA塑料抗冲击性、耐热性、耐低温型、耐化学药品性及电气性能好，还具有易加工、制品尺寸稳定、表面光泽好等特点，但是由于PLA塑料的拉伸率较差，因此设计时要考虑厚度，加工肋板以保证强度耐冲击。 加工过程中要考虑3D打印机的行程，不能超过其打印行程；加工过程中对于零件的圆角与凸台要进行构造辅助支撑丝保证加工的质量防止变形；加工过程中要根据零件强度的要求确定堆叠的层数，以保证加工零件外形尺寸与强度要求满足设计要求。六、总结与展望 本文以四旋翼飞行器为研究对象，主要研究了飞行器的主体结构、飞行动力转换与各部件的强度要求，以满足飞行器在航拍过程中的各种要求，达到良好的航拍效果。 本文的研究工作主要设计并搭建了四旋翼飞行器的硬件系统，建立了飞行器的相关数字模型。针对自行设计的四旋翼飞行器进行了动力学分析、能耗分析、尝试多轴多机翼模型的搭建，能够实现飞行器的稳定航拍效果。 本文是在四旋翼飞行器控制技术领域的一个基础性探索研究，由于本人是首次接触四旋翼飞行器，在前期的积累为零，虽在导师的指导下克服了非常多的困难，取得了一定的进展。但就其深度而言，还尚显肤浅，尤其在自主飞行控制方面还处于探索阶段，因此本文在很多方面还有待于进一步的探索和完善主要包括以下几个方面： 1）无GPS导航、视觉和通信等系统； 2）利用GPS进行导航并按预先设定路线飞行的能力、信息传输能力和任意姿态飞行的能力将进一步健全和完善，自主飞行是该技术发展的一个重要方向，将在预定航线飞行等方面发挥重要作用。使其具有自主起降和全天候抗干扰稳定飞行能力。 七、参考文献1 同济大学数学系.高等数学M.北京：高等教育出版社，2007.2 何铭新，钱可强.机械制图.第五版M.北京：高等教育出社，1993.3 梁正强.机械零件设计计算实例M.北京：中国铁道出版社出版，1989.4 刘曹茹，吴志军，高政一，等. 机械制图M.北京：高等教育出版社,2000.5 刘品.机械精度设计与检测基础M. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2009.6罗圣国，龚溎义.机械设计课程设计指导书M.北京：高等教育出版社，1990.7 席慧