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基于 3D打印 技术 四旋翼 无人机 设计 制作

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分 类 号 TH12 密 级 公开 宁宁波财经学院 毕业设计(论文) 基于3D打印技术的四旋翼无人机设计与制作 诚 信 承 诺 我谨在此承诺：本人所写的毕业设计（论文）《基于3D打印技术的四旋翼无人机设计与制作》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 摘 要 本文研究的项目是3D打印技术在航空领域的应用，将3D打印技术融入无人机技术，进行进一步的设计和研究。3D打印技术属于制造业的一种类型，是一项新的成型技术，3D打印技术不断在各个领域展现其神奇的魅力，正逐渐融入设计、研发以及制造的各个环节。3D技术在工业制造、医疗领域、文化创意和教育等领域有着广泛应用，因此3D打印技术已经逐渐进入到人们生活中，被人们所熟知。近年来出现了各类新型无人机，广泛被各大研究机构，学者，兴趣爱好者进行研究，无人机技术越来越成熟，拥有特殊的机械结构和动力学特征，无人机小巧，简单，方便的优势也让其被应用于各个领域。本课题通过研究3D打印技术和无人机技术的国内外发展状况，以及基本原理，分析目前世界上类似的用3D打印技术制作无人机的例子，进行深入探讨。本文分析了四旋翼飞行器的基本结构、运动原理、控制系统、外形零部件设计；3D打印技术的原理、类型、用材、成型工艺，用三维绘图软件构建三维模型，并通过3D打印机制造无人机的零部件进行组装。 关键词：四旋翼飞行器，控制原理，建模，3D打印 II Abstract The research project of this paper is the application of 3D printing technology in the aviation field. It will integrate 3D printing technology into drone technology and carry out further design and research. 3D printing technology is a type of manufacturing industry. It is a new molding technology. 3D printing technology continues to show its magical charm in various fields and is gradually integrating into all aspects of design, research and development, and manufacturing. 3D printing technology is widely used in industrial manufacturing, medical care, cultural creativity and education, so 3D printing technology has gradually entered peoples lives and is known to people. In recent years, a variety of new types of drones have emerged. They have been widely studied by major research institutions, scholars, and interest lovers. The drone technology has become more and more mature, has special mechanical structure and dynamic characteristics, and is small and simple. The advantages of convenience also allow it to be applied in various fields. By studying the development of 3D printing technology and UAV technology at home and abroad, and basic principles, this paper analyzes similar examples of 3D printing technology in the world to make UAV, and carries on in-depth discussion. This paper analyzes the basic structure, technology are assembled by manufacturing drone components through 3D printers.motion principle, control system and shape design of the four-rotor aircraft. The principles, types, materials, and molding processes of 3D printing. Key word：quad-rotor, Control principle, modeling, 3D print 目 录 摘 要 I Abstract II 目 录 III 第一章 绪论 1 1.1 无人飞行器 1 1.2 3D打印技术 1 1.3国内外研究现状 2 1.4 目的及意义 5 第二章 四轴飞行器的组成 6 2.1 遥控器及接收机 6 2.2 电机，电调和电源 6 2.3桨 8 2.4机架 8 2.5飞行控制板 9 2.6传感器 11 第三章 四旋翼飞行器的运动机理 13 3.1基本原理 13 3.2坐标系建立 15 3.3 姿态表示 16 3.4姿态融合 19 3.5四旋翼飞行器的PID调节原理 20 第四章 四旋翼飞行器电控系统 21 4.1四旋翼飞行器的总体电控结构 21 4.2接收机输出协议 21 4.3 微型控制器 22 4.4 姿态测量模块 23 4.5电调模块 24 第五章 主要零部件设计及选择 25 5.1四旋翼飞行器机体设计目标参数 25 5.2螺旋桨 26 5.3电机、电调和电源的选择计算 27 5.4机架部分 31 5.5自锁螺钉螺套和子弹头 33 5.6质量及续航估算 35 第六章 三维建模 37 6.1建模方法 37 6.2 四旋翼飞行器零件的三维建模 38 6.2.1 中心板 38 6.2.2机翼 40 6.2.3桨 42 6.2.4防护装置 先通过拉伸，布尔求差求和，倒圆角等命令建立托盘， 43 6.2.5自锁螺钉螺套和子弹头 45 6.3装配图及爆炸图 47 6.4运动仿真 49 第七章 3D打印零件 52 7.1 选择3D打印类型 52 7.2 选择打印设备 53 7.2.1打印机 53 7.2.2打印材料 55 7.3 切片处理及打印 56 7.3.1切片软件及过程 56 7.3.2后处理 60 7.4精度分析 61 第八章 结 论 62 参考文献 64 致 谢 65 IV 宁波财经学院毕业设计（论文） 第一章 绪论 1.1 无人飞行器 空中机器人拓展了无人机的概念，在一定意义上可以将其看作是无人机的别称。空中机器人以研究微型无人飞行器为主要目标，代表了未来微型飞行器的发展趋势，是一种智能微型飞行器，代表了飞行器的最高层次。[5]无人机是指搭载了GPS.机载导航设备、视觉识别设备以及无线通信设备等，能够在一定的范围内实现无人飞行的旋翼无人飞行器。世界上第一架无人飞行器在1917年英国研制出，无人飞行器已经经历了长期的发展过程。根据结构和飞行原理的不同，无人机分为两种。一是固定翼无人机，分为螺旋桨式无人机和喷气式无人机，其飞行原理是在无人机高速前进中，通过机翼上气流和气压的不同，产生升力，保持无人机的飞行，另一是旋翼无人机。[1]本课题中研究的是四旋翼飞行器，原理就是通过四个螺旋桨转动产生空气的反作用力作为推力，如果是多个螺旋桨，则需要相互配合保持平衡，并控制无人机6个自由度方向的运动。与固定翼无人机相比，旋翼无人机可以实现垂直起降和悬停，有很好的机动性，对场地要求也较小，可扩展功能十分广泛。四旋翼飞行器的优点在于，机架易于制作，不容易损坏且容易维修，单位体积拥有更大的动力等。另外，四旋翼无人机可以在狭窄的空间内实现各种功能。因为其广阔的发展前景，近年来，不仅吸引了科研人员关注，商品市场上也出现了越来越多的无人机。目前，市场上已经有很多民用的无人机产品，主要用于航拍和娱乐方面，户外手控飞行技术已经成熟。 1.2 3D打印技术 全球第一台3D打印机出现在1986年。此后，3D打印技术不断在各个领域展现神奇的魅力，正逐渐融入设计、研发以及制造的各个环节。3D打印技术也称增材制造，增材制造技术通过CAD设计数据，将得到的数据导入打印的设备，使材料层层堆积下逐渐得到完整的实体零件的制造技术。传统的制作技术是在已有的材料上切除，减材得到的零件。3D打印技术的不同是它“自下而上”累积材料来制造成型，3D打印属于增材制造技术。3D打印技术也称为快速成型技术，3D打印机的系统是集机械、控制及计算机技术为一体的机电一体化系统，主要由软件、硬件两大部分组成。软件主要包括：建模软件、数据处理软件、设备控制软件。硬件主要指3D打印成型设备。3D打印机使用的原材料应满足以下条件：能够液化，粉末化或丝化，且具有合格的物理、化学性能。现在可用的3D打印材料种类越来越多，树脂、塑料、合金、聚合物、陶瓷、橡胶、等都可作为原材料。[6][7]3D打印技术对于制造单件、小批量零件或特殊零件的优势很大，因为其具有开发周期短、成本低、产品制造多样化的特点。经过多年的研究发展，目前已具有十几种3D打印技术，典型的有熔融沉积成型(FDM)、选择性激光熔化成型(SLM)、激光选区烧结(SLS)、立体光固化成型（SL）等，不同的打印技术其成型工艺和使用的材料也不同。3d打印在建筑规划、工业设计、娱乐、医疗等有了广泛应用。在航空航天领域会涉及很多形状复杂、尺寸精细、性能特珠的零部件、机构的制造。3D打印技术可以直接制造这些零部件，并制造一些传统工艺难以制造的零件。[9,10,11]3D打印技术是一种新兴制造技术体现了信息网络技术与先进材料技术、数字化制造技术的结合,是先进制造业的重要组成部分,可以极大提高各个领域中的工作效率，是一种基于数字模型和人工智能技术的新型制作工艺[20]。最近几年3D打印的浪潮普遍影响包含普罗大众，人们更多的在新闻、电影、杂志等各种媒体里都看到过3D打印技术，证明3D打印技术越来越贴近人们的生活。 1.3国内外研究现状 近年来无人机以适应性强，机动性隐蔽好，可重复使用，可替代人执行危险性大的作战任务，成为国内外研究的热门。多旋翼飞行器结构简单、新颖，可以垂直升降，它的负载能力强、飞行范围广、留空续航时间长，并逐渐在军事，民用等许多领域展现巨大潜力。[19]它是一种灵活，可操作性强，能自由飞行得设备，常用于运输、监测、拍摄、巡航等命令任务，随着发展应用于军事方面较多。随着3D打印技术普及，这项技术得到了快速的延申发展和各国的重视，投入了相当的研究，也取得了显著的效果。国外已经有许多利用3D 打印技术制造的无人机的例子，并且能投入使用，不断改善。欧洲各国越来越多的政府部门，如负责国内安全的市级警察、国家警察、反恐机构、城市消防队、海岸防卫队、国民卫队和环境保护机构，以及负责欧盟各国边境安全的欧盟国家边境管理局，都对无人机表现出极大的兴趣。[14] 英国一家先进制造研究中心采用FDM技术，原材料为ABS塑料，打印出一架翼展1.5 m的无人机，搭载两台EDF发动机，实现了20m每秒的巡航速度，如图1.2.1所示。其开发团队还希望在未来继续研究改进实现出一款翼展达到3 m,采用天然气涡轮机作为发动机的无人机。[2] 图1.2.1 FDM翼展1.5 m的无人机 2014 年，在伦敦帝国学院展示了一架由3D 打印机打印成的螺旋桨无人机，他让无人机生产成本大幅下降，且降低了设计的复杂度，这让无人机能够更快地进入民用领域。 图1.2.2 3D打印螺旋桨无人机 德国3D的厂商BigRep，推出了一款巨型的3D打印无人机，绰号为“DUSTER”。打印尺寸为2.2*1.9*0.6米，负荷能力为40千克到60千克。该无人机飞行时间可高达40分钟；如果配备额外电池，甚至可以飞行70分钟。 图1.2.3 DUSTER 国内最早的研究于2000年左右开始。2001年，上海大学做了飞行器样机设计，包括控制算法、控制系统软件和硬件设计。为实现自主控制奠定了基础。此后，国防科技大学在2004年开始研究微型四旋翼飞行器，做了一系列的建模和实践，并在2006年完成了原型样机的设计，包含设计姿态控制算法，动力学模型，并且通过试验仿真验证了姿态控制算法的有效性，实现了姿态增稳控制。 国内有名的无人机公司有大疆创新科技有限公司，该公司制造的无人机闻名且常见于国内以及世界范围内。他的无人机提供专业航空摄影和最有经验的创新智能飞行控制产品和解决方案。 2014年11月面世的InSPIre系列定位为“一体化空中影像系统” 图1.2.4 大疆InSPIre系列无人机 DJI 大疆创新在北京发布了“御”Mavic Pro 初雪白限定套装。包含全新的“御”Mavic Pro 初雪白航拍飞行器、遥控器、两块额外电池、两对额外桨叶及一个机身收纳袋。飞行器仅重734 克，适合随身携带。但功能齐全，它配备4 K 航拍相机、支持最远7公里的图传距离、3轴机械云台、续航最长 27 分钟，可用于便捷的户外拍摄。如果装载额外电池，可获得超过一个小时的飞行时间。[12] 图1.2.5 “御”Mavic Pro 初雪白 1.4 目的及意义 为了深入了解3D打印技术原理，成型工艺，操作方法，通过查阅文献，详细了解国内外四旋翼飞行器发展状况及前景，以及各零部件的功能原理，并且根据现今的情况，设计四旋翼飞行器，通过实物设计，验证3D打印四旋翼飞行器的可行性。并分析未来的趋势，是否可以长期使用并用3D打印取代传统工艺制作飞行器，是否可以用较小的成本，简单的操作来完成制作，供大众普及化，实现3D打印飞行器全民化。 本文介绍了3D打印技术和在航空航天工业领域的发展应用，传统制作的飞行器需要高昂成本，结构固定，如果想要升级设备或更换配件，需要重新购买新的零部件，而且不一定适合原有机型结构，制作时间长。而使用3D打印技术制造四旋翼飞行器结，拥有生产周期短，成型快速，复杂零件制造能力强，廉价，产品制造多样化等优点。采用3D打印技术的成型件是无缝连接的，结构间的稳固性和连接强度高而且不需要任何模具和机械加工。其简单的制作工艺，可制作任意形状外观的零件，精确实物化，工具少，建模快的特点应用到制作飞行器，将大大降低工程量，在单件小批量的个人制作中及其便利。其成型产品可供模型展示，教学分析，零部件替换，产品概念设计，原型制作，产品评审，功能验证，产品数据的测量，快速调试产品设计的功能模型。 第二章 四轴飞行器的组成 2.1 遥控器及接收机 四轴飞行器共有8种比较典型的运动状态，至少需要一个四通道的遥控器来对四轴进行姿态的控制。遥控器采用2.4GHz频段，是全球免费频段也是最常用的频段，并配有接收机，解码输出发射机发射的信号。通常接收机将至少四个通道的数据用PWM波的形式输出到信号的引脚，输出的是50Hz的PWM波，使用占空比来表示遥控器摇杆的位置。发射机可以分为“左手油门美国手”与“右手油门日本手”。 图2.11 发射机与接受机 2.2 电机，电调和电源 在微型四轴飞行器上，通常采用有刷电机提供动力，它是空心杯电机和MOS管驱动电路的结合，空心杯电机属于直流永磁伺服微特电机，具有节能，灵敏更方便控制，稳定运行的特性，它才用的是无铁芯转子。它的能量密度大幅提高，与铁芯电机相比，重量和体积减轻了许多。 图2.21 有刷件电机 一般无刷电机用在较大的四旋翼飞行器，它的尺寸比有刷电机大，因此力气也大提供的推力也大。无刷直流电机主要由电动机主体和驱动器组成。当电动机运转时，电动机的外壳旋转，内线圈不动。优点在于方便于电机的维护，在扭力，转速上都比较优越。定子绕组大多是三相对称的星形连接，与三相异步电动机相似。磁化的永磁体胶合到电动机的转子上，并且位置传感器连接到电动机以检测电动机的转子的极性。无刷电动机的转子是永磁电磁钢，其与外壳连接到输出轴，定子是缠绕的线圈，用电刷马达代替电磁场的电刷。无刷电机相比于有刷电机，运转时没有电火花，防止了电火花对设备的干扰，在转动时也降低了摩擦，提高了运行时的稳定性。 图2.22 无刷电机 电调全称是无刷电机电子调速器，功能是给接收机供电，调节输出给电机的电流大小来控制电机的转速。有刷电机上的电调是输出直流电，无刷电机的电调则输出三相交流电。电调的组成一般是MOS管和单片机，能将电池提供的直流电转换成三相交流电流给无刷电机供电。一般电调可以接收电压范围为5.6-12.6V。四轴飞行器在飞行时，无刷电机达到的电流很大，通常为4-5A，电调提供的驱动电流比较重要。常有的有20-40A的电调。电调的电源线常与电源直接相连，控制线常用三排针式排列。[3] 图2.23 电调 如今的航模飞机，无人机的电池主要是锂聚合物电池，它有能量密度大、重量轻、耐电流数值高的特点。通常把一节锂电池的电压3.7V称作一个S，微型电机常采用1S锂电池驱动，较大的无刷电机一般采用2-3S，即7.4V-11.1V来驱动。电池容量越大，储能越大，可提供续航时间越长，但重量也越大。航模电池的C数指最大放电倍率。如1S锂电池，一般是350mAh、25C，这个电池最大可提供电流是0.35*25=8.75A。 2.3桨 我们一般见到的桨的名称型号是一个4位数字，前两位数表示直径，后两位表示螺距，以英寸为单位。桨与电机的型号选择涉及到许多参数的影响，需要通过大量试验才能得出电机与螺旋桨的搭配关系。如电机KV值，扭矩，桨的尺寸，提供的电流、电压大小等因素。据查询电机的KV值越小，扭力越大；螺旋桨越大，升力越大，但也需要更大的扭力来驱动；螺旋桨转速越高，升力越大。根据经验总结大螺旋桨需要低KV值的电机，小螺旋架需要高KV值的电机。如果高KV值的电机带大桨，就会出现扭力不足现象，那么电机和电调超频运作，高电流会烧掉仪器。如果低KV值的电机带小桨，则小桨提供不了足够的动力。 2.4机架 机架是安装各个部分重要的载体，较大的四周飞行器的机架一般采用金属或者玻璃纤维和工程材料制作。随着四旋翼飞行器的发展，机架部分可DIY的部分较多，有五花八门的外观。 机架的要求： （1） 作为一个整体的支架，供其他设备零件连接，为飞行器提供大体框架。 （2）作为放置仪器的平台，为仪器提供一个水平稳定的平面，不会受电机和桨运动的影响，要包括起落架等缓冲装备。既可以作为载体，又能作为保护电子器件的的壳体。 （3）质量尽量轻盈，节约重量给其他电子仪器、设备，但又要有一定的强度，不易损坏。 （4）应有保护装置用于保护桨叶，飞行器机体和人。因为飞行时会出现一些意外状况，保护装置可以保护器械损伤和人的安危。 机架的常用材料： 现在市面上常用的飞行器材料多为复合材料，它的变化性强，可成型任意外观的形状，且重量低，轻盈，材料强度高，抗弯抗扭，奈撞性都十分良好。比起金属材料，密度小，可塑性高，易于成型结构简单，空间大且融合增强材料的优良力学性，具有比强度和比刚度高、热膨胀系数小、抗疲劳能力和抗振能力强的特点。 综上既可以有强度支撑无人机机体架构，又能够最大程度上摆脱引力影响的复合材料，融合了下面三种材质: （1）玻璃纤维:玻璃纤维是无机非金属材料，种类繁多，有绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高的优点，但缺点是性脆，耐磨性较差。 （2）树脂:指受热后有软化或熔融范围，软化时在外力作用下有流动倾向，常温下是固态、半固态，有时也可以是液态的有机聚合物。 （3）碳纤维:一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。碳纤维"外柔内刚"，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性。 2.5飞行控制板 飞控是完成四轴飞行器的核心部件，主要作用是处理飞行参数，飞控需要完成的是计算四周飞行器当前的姿态，并且将当前的姿态与遥控器要求达到的姿态进行对比，从而计算出电机需要做出的反应。超声波测距等附加任务也是飞控完成。有些飞控还需要检测电池剩余的电量，以便于四周飞行器能更稳定的飞行。飞行器飞行过程中的稳定和运动方向都由飞控来控制，它能实现的功能直接决定了四轴飞行器的性能好坏，一款无人机的好坏也可以从飞控的档次上判断出来。飞控板的功能有两点：（1）接受遥控器的信号，将收到的电信号在飞控中装换成数字信号解码运算，再输出给电调起到控制作用。（2）通过飞行器上的个各传感器检测到的数据输入到飞控中，在没有人为控制下，自动输出调节电调，控制四轴飞行器的稳定，保证一定的高度。[4] 一般飞控示意图： 图2.51四轴飞行器控制结构 市面飞控板有KK飞控板，FF飞控板，玉兔，MWC飞控板，APM飞控板等，随参数不同其价格也各不相等。 图2.52 KK飞控板 图2.53 FF飞控板 图2.54 MWC飞控板 图2.55 APM飞控板 2.6传感器 一般飞行器上都装载几种不同的传感器，顾名思义这是能感应参数的一种仪器，它能检测到飞行器目前的各项飞行参数，如飞行高度，方向，速度等，传感器数量越多，其能检测的数据越多，功能一般也越强大。 常用的有陀螺仪，陀螺仪内部有一个垂直轴，当飞行器转动时，能检测出垂直轴和设备间的夹角，并计算角速度，有了这些参数就能判断出飞行器当前的运动状态陀螺仪可以检测6个自由度，并判断出设备的运动方向和加减速。得到这些参数后被飞控检测到，飞控即可判断飞行器姿态并做出一定干涉使控制飞行器的平衡。 图2.61 陀螺仪 磁力计也可用于测试磁场强度和方向，定位，测量东南西北四个方向上的夹角。 加速度计也叫重力感应器，可以感知任意方向上的加速度，当飞行器往某个方向前进时，就有向这个方向的加速度，和力，根据受力情况判断出轴向的加速度与方向。 超声波传感器，通过发射声波，接触物体后反射，接受到回射波后就能计算识别机体与物体的距离防止相撞。 摄像头，在大多飞行器上都有，可供图像传输录取，用于侦察和拍摄，实现辨识物体的功能。 红外传感器，探测具有一定温度的物体，避免碰触动物或人体。 传感器的种类繁多，性能也各不相同，一架飞行器上各种功能的传感器越多，实现的功能越多，传感器岳灵敏，功能越强大相应的价格也越贵。 图2.62 超声波传感器 第三章 四旋翼飞行器的运动机理 3.1基本原理 四轴飞行器利用空气动力，它运动的动作是依靠与空气的作用来实现。[4]四旋翼飞行器通过改变自身的四个旋翼的转速，可以实现各种飞行动作。主要的运动员理是里的合成与分解，和空气转动扭矩的反向性。四旋翼飞行器通常有两种模式，“十”字形与“X”型。本设计内容为x型，相对两个旋翼转动方向相同，相邻两个旋翼的转动方向相反。因为旋翼在旋转时会产生方向相反的扭矩，顺时针方向转动的桨在转动时空气会产生使四轴逆时针方向旋转的反向扭矩。1,4号电机是顺时针方向旋转，且使用的螺旋桨为正桨2,3号电机逆时针旋转，螺旋桨为逆桨，这样设计使两个相反的扭矩抵消，使四轴在偏航方向平衡。四旋翼飞行器在空间坐标系内的机体运动主要有升降，俯仰，横滚和偏航几种，将四旋翼飞行器抽象成如图。 图3.11 升降运动原理图 图中，F1 F2 F3 F4分别表示4个螺旋桨所产生的升力的矢量M1，M 2，M3，M4表示4个螺旋桨所产生的力矩的矢量。通过控制电机的转速的变化，改变螺旋桨所产生的升力和力矩的变化，即可实现飞行器姿态的变化，主要有升降运动，俯仰运动，横滚运动，偏航运动。 升降即机体的垂直上升和垂直下降运动。当机体的4个螺旋装的升力相同，升力的合力大于机体重力时实现机体的上升，升力的合力等于机体重力时实现机体的悬停；升力的合力小于机体重力时实现机体的下降。 俯仰与横滚运动 横滚运动即向左横滚和向右横滚运动。如图所示，当机体左的两个螺旋桨的升力的合力大于机体右侧的两个螺旋桨的升力合力时，机体向右横滚运动当机体左的两个螺旋将的升力的合力小于机体右侧的两个螺旋桨的升力合力时，机体向右横滚运动。俯仰运动类似。 M1+M3>M2+M4 图3.12 横滚运动原理图 偏航运动 偏航运动是指偏离原航向前进方向而转向另一个方向的运动。如图，当相对电机上的螺旋桨转速相同，产生的转矩大小和方向都相同，相邻的螺旋桨转速不同，转矩大小不同，方向相反，合力矩不为零，机体就发生了转动。 图3.13 偏航运动 机体结构设计 依据飞行原理和螺旋桨结构属性设计，结构简图如图。 图3.14 结构简图 3.2坐标系建立 为了获得飞行器姿态的数学模型，要建立两个基本坐标系，一个是导航坐标系一个是飞行器坐标系。导航坐标系一般建立在地面上的原点，作为参照坐标系。飞行器坐标系则建立在飞行器上，描述飞行器在导航坐标系中的位置和姿态，另一方面为物体上的点或其他坐标系提供局部的确定位置和姿态的标准。[5] 图3.21 地面坐标系的建立 A为原点，建立A-XYZ地面坐标系。Xd表示侧向偏离，Yd表示航程，Zd表示飞行高度。 飞行器坐标系：原点位于飞机质心 图3.22 机体坐标系 3.3 姿态表示 欧拉角表示 机体坐标系相对于导航坐标系的姿态可以表示为3个角（ψ，θ，γ）的一个矢量，其中的每一个角代表绕固定坐标系一个轴的旋转。导航坐标系n和飞行器坐标系b在一开始时是重合的，当飞行器坐标系b绕轴Zn旋转一定角度ψ，这个角度ψ称为航向角；当飞行器坐标系b绕轴Xn的旋转一定角度θ，这个角度θ称为俯仰角；当飞行器坐标系b绕轴Yn旋转一定角度γ，这个角度γ横滚角。姿态角可以用一组欧拉角表示，飞行器坐标系可由导航坐标系以一定的顺序转动得到。求解欧拉角微分方程，由角速度可以求解三个姿态角。缺点：该方法计算速度慢，方程会出现奇点，故难以广泛用于工程实践。[3,5] 图3.31航向角ψ 图3.32俯仰角θ 图3.33横滚角γ 图3.34 地面坐标与机体坐标系 方向余弦矩阵 飞行器坐标系b可由导航坐标系n依次绕着航向角、俯仰角、横滚角按一定顺序做3次旋转后得到。 O-XnYnZn 绕Zn转ψ 得O-X1Y1Z1绕X1转θ 得O-X2Y2Z2 绕Y2 转γ 得O-XbYbZb 三次基本旋转对应的坐标变换矩阵为 C= （3.1） C= （3.2） C= （3.3） 所以有导航坐标系n到机体坐标系b的姿态矩阵为 C=CCC= = （3.4） 记Cbn=，由于导航坐标系n和机体坐标系b始终是直角坐标系， 所以Cb n= （3.5） 所以机体姿态可用姿态矩阵数学表示。缺点：方程计算量大，工作效率低。 四元数表示 四元数算法是捷联惯导中的一种算法，捷联惯导算法是指从惯性器件的输出到给出需要的导航和控制信息所必须进行的全部计算问题的计算方法。采集传感器，陀螺仪加速度计上的数据，融合飞行器坐标系和导航坐标系，就能计算出飞行器的姿态。四元数可以描述一个坐标系或一个矢量相对某一个坐标系的旋转，四元数的标量表示转角的一半余弦值，而矢量部分表示瞬时转轴的方向、瞬时转动轴与参考坐标系轴间的方向余弦值。[5,17] 一个角度θ和导航坐标系n中的一个单位矢量ω就可以表示姿态，其含义：导航坐标系n和机体坐标系b初始状态时位置重合，机体坐标系b绕矢量ω旋转角度θ，得到新姿态。 （3.6） 用四元数表示机体的姿态： Cbn= （3.7） 四旋翼飞行器的姿态可由四元数表示，并且机体的姿态矩阵可用四元数表示，当确定了机体姿态的四元数后，便可以根据式3.7求机体的姿态矩阵，进而求姿态角。优点：该方法在计算环节能更加合理地描述载体的刚体空间运动。 3.4姿态融合 原理：姿态融合是将三轴加速度、三轴角速度和三轴磁场强度等的数据融合成四元数，再将四元数转化为欧拉角，最后将欧拉角转变成控制量输送到所有电机以达控制飞行器姿态的目的。[3,5] 方法：目前工程中经常使用的姿态融合算法主要有基于欧拉角与四元数姿态融合算法、卡尔曼滤波算法、互补滤波算法等。 1、在忽略一定精度的条件下，加速度计独立使用可解算出机体的俯仰角和横滚角，陀螺仪独立使用可解算出机体的俯仰角和横滚角，但是此时的相互独立的惯性元器件自身存在制量误差，而且还容易受到噪声和温度的干扰，一致数据不准确，所以需系用信息融合测量将加速度计和陀螺仪的数据进行融合，以提高测量精度。缺点是需要的计算量大，系统开销比较大，结算时间较长， 2、卡尔曼滤波器算法考虑了测量噪声和系统噪声的影响，能在噪声严重环境下得到较为精准的状态估计量，测量结果较准确，但是结构复杂，需要建立相应的数学模型，数学模型建立的不合适会起到副作用。 3、互补滤波器是一种领域特性的滤波器，一般用来融合测量相同物理量的不同传感器的数据，能够克服前述两种算法的缺陷，并且得到的测量结果仍相对较精确。 3.5四旋翼飞行器的PID调节原理 飞行控制板接收到遥控器电信号后解码计算，飞行器上的传感器采集到数据后也输出给飞控，飞控将收集的信号融合，根据融合的结果对姿态作出调整，输出PWM信号对电机进行控制。需要合适的PID控制率来输出合适的控制量，工业控制领域将这种把偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控制对象进行控制的方法称为PID控制，[8] 图3.51 PID控制原理框图 常用公式为 式（3. 5.1） 式中e（t）为期望值与当前状态指的偏差；u（t）为PID调节后的系统控制输入量；KP 、KI、KD分别表示PID控制器的比例系数、积分系数、微分系数。从遥控器发出信号给飞控，并解码出遥控信号得出期望值e（t），同时飞行器上的传感器检测到当前状态的姿态数据，并反馈给飞控，控制器融合数据通过式3.5.1计算得出需要控制的量，通过PWM信号对电机进行控制。 第四章 四旋翼飞行器电控系统 4.1四旋翼飞行器的总体电控结构 四旋翼飞行器的电子控制主要由遥控器、接收机、单片机、传感器、电子调速器、电机等部分组成。 工作原理：遥控器发射机发出目标信号，遥控器接收机接受信号，输入到单片机，同时传感器采集的飞行器当前姿态的信号也输入至单片机，单片机对两路输入信号进行处理，输出4路信号给电子调速器，电子调速器调节输出电流，调节4个电机的转速。 图4.11 控制原理图 4.2接收机输出协议 PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制，利用微处理器的输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，一般变换后脉冲的周期固定，但脉冲的占空比会依模拟信号的大小而改变。[5]拥有抗干扰，发生采集都非常简单，信号值与电压无关，处理简单的优点。 PPM（Pulse Position Modulation)脉冲位置调制。PPM是通过检测给定频率的PWM信号的占空比来获取指令信号。PPM简单的将多个通道的数值一个接一个合并进一个通道，用2个高电平之间的宽度来表示一个通道的值。 S.BUS（Serial Bus)是一个串行通信协议。S.bus使用RS232C串口的硬件协议作为自己的硬件运行基础。使用TTL电平，即3.3V。使用负逻辑，即低电平为“1”，高电平为“0”。它采用现有数字通信接口，是全数字化接口总线，所以该设备非常适合在单片机系统中使用，在与飞控连接时兼容性好。 DSM (DigitalSpreadSpectrumModulation)。这也是一种串行协议，使用的标准串口定义，市面上兼容的接收机更加便宜，兼容的设备也更多，所以比S.BUS更加通用。DSM协议不是总线化协议，接收机需要把协议转变成PWM输出给电机，而且DSM2接口也只能连接接收机和卫星接收机。 4.3 微型控制器 本文采用了QQ飞控，芯片是STM32F103CBT6，内核是Cortex-M3，从16K到512K字节的闪存程序存储器，最大64K字节的SRAM。STM32F系列属于中低端的32位ARM微控制器，时钟频率为72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA。最多高达112个的快速I/O端口：所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。最多达11个定时器：4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器；2个16位的6通道高级控制定时器，最多6个通道可用于PWM输出；两个看门狗定时器；Systick定时器，24位计数器；2个16为基本定时器，用于驱动DAC。[5] 图4.31 STM32F103CBT6及参数 微型控制器的功能，测量遥控器发来的信号，接受传感器的数据，处理目标信号和实时信号，输出4路信号驱动电子调速器，支持I2C协议，能够高速处理。 图4.32 QQ飞控 4.4 姿态测量模块 本文介绍常用的四旋翼飞行器姿态测量模块MPU-6050芯片，规格大小为4mm*4mm*0.9mm，能处理六轴运动，以数字形式输出六轴的旋转矩阵、欧拉角、四元数的融合数据。该芯片中包含了3轴陀螺仪、3轴加速度计、1个可拓展的处理器DMP。DMP可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，可以通过I2C或SPI输出9轴信号。供电电源：3-5v（内部低压差稳压），芯片内置16bit AD转换器,16位数据输出，陀螺仪范围：250 500 1000 2000 /s，加速度范围：24816g ，采用沉金PCB,机器焊接工艺保证质量，引脚间距2.54mm。[15] 图4.41 MPU-6050 4.5电调模块 本文采用的电机为无刷电机，因此搭配使用无刷电机电子调速器，主要把电池提供的直流电转换成三相驱动电流，并通过过零检测等电路检测无刷电机的反馈，驱动无刷电机。电调通过接收机或者飞控输出的PWM信号经过内部单片机处理然后输出驱动调节信号调节MOS驱动管，让MOS驱动管调节输出的电压高低。电调的输入线与电池连接;电调的输出线与电机连接;电调的信号线与接收机连接。 第五章 主要零部件设计及选择 5.1四旋翼飞行器机体设计目标参数 本文设计初始机体设计参数如下表， 参数名称 参数值 单位 机体体积 270*270*35 mm3 空间质量 1000 g 载荷 500 g 续航时间 10 min 相对两电机轴距 330 mm 最大可倾斜角度 30 度 最大垂直速度 3 m/s 垂直加速度 2 m/s2 表5.11 目标参数 由上表设计飞行器总体负载情况下质量m=1.5kg，重力为1.5*9.8=14.7N，不考虑风阻时， 飞行器的起飞重量=飞行器的重力+飞机质量*加速度 式5.1.1 =17.7N 所以平均分到每个电机的拉力>17.7/4=4.425N才能实现竖直升降运动时的要求升力，如在横滚和俯仰运动时升力则还不够，当机体倾斜30角时， 则F*cos30>G，F>16.97N, 受力图如下 图5.11 受力图 其中G为重力，F1为1，3号电机提供的拉力和，F2为2，4号电机提供的拉力和，L为相邻两电机的轴距=330*sin45=223.35mm。 由平衡方程式得[18] =0 式（5.1.2） =0 式（5.1.3） -Gcos30+F2cos30Lcos30+F2sin30Lsin30=0 F1cos30+F2cos30-G=0 解得F2=6.37N, F1=10.6N 所以单个电机所需的拉力F机>10.6/2=5.3N。 5.2螺旋桨 根据目标参数相对俩电机的轴距为330mm，通过机架尺寸计算设计， 机架搭配桨常用的尺寸 机架轴距 = （桨的英寸*25.4/0.8/根号2）*2 式（5.2.1） 桨的尺寸（英寸）=（机架轴距/2）*根号2*0.8/25.4 式（5.2.2) 常用的四旋翼飞行器的桨与机架尺寸的配合型号[3]： 8寸桨 搭配轴距330MM机架 10寸桨 搭配轴距450MM机架 11寸桨 搭配轴距500MM机架 12寸桨 搭配轴距550MM机架 13寸桨 搭配轴距600MM机架 14寸桨 搭配轴距650MM机架 15寸桨 搭配轴距680MM机架 16寸桨 搭配轴距720MM机架 表5.21 桨的尺寸（英寸）=（机架轴距/2）**0.8/25.4≈7.35in 相对两电机的轴距为330mm，相邻的电机中心的距离为330*cos45=233.35mm，所以螺旋桨选型为8040螺旋桨。其含义为螺旋桨直径8英寸，螺距4英寸，即螺旋桨旋转一周在轴向移动的距离。 桨半径为4in， 4*25.4*2=203.2mm<233.35mm， 所以桨在运动时不会干涉到。设计为如下图，详见图纸。 图5.21 8045螺旋桨 5.3电机、电调和电源的选择计算 电动机作为整个系统的执行部件和动力源，驱动螺旋桨旋转。通过分析飞行器结构尺寸，要求满足直流供电，质量小，维护方便等要求，结合第二章电机类型，本文采用了直流无刷电机。 由5.1节目标参数下，负载下重力为14.7N，单个电机F机>5.3N， 由于桨提供的升力与电机的型号，KV值，提供电流大小，转速以及桨叶尺寸有关，查询常用的电机与桨叶配合测试数据，所能产生的拉力表， 桨 电机 电压V/电流A 转速/ r/min 推力/N 1047 A2212 KV930 11V 12.1A 6430 7.70 10.5V 11.6A 6270 7.35 A2212，KV1000 11V 15.6A 6810 8.68 10V 14A 6530 8.04 A2212，KV1400 8V 18A 6380 7.40 7V 15.1A 5860 6.37 1060 2212 KV930 11V 9.9A 7130 6.37 A2212，KV1000 11V 13.1A 7630 7.30 10V 11.6A 7260 6.62 9050 A2212，KV1000 11V 10.5A 8430 6.67 10V 9.2A 7900 5.91 A2212，KV1400 11V 18.9A 9720 8.85 10V，15.4A 9240 8.00 8040 A2212，KV1400 11V 12.6A 11800 6.86 10V 11A 11000 5.94 A2212， KV2450 8V 21.5A 11970 6.37 表5.31 根据上表查询得8040桨可搭配使用A2212/10T 1400KV型号电机。 重量/g 额定电流/A 空载转速r/min 负载转速r/min 额定电压/V 最大功率/W 最大效率 轴直径/mm 内阻/欧 搭配8040桨叶的推力/N 55 0.9-16 15540 9720 11.1 178 95% 3.17 65 6.86 表5.32电机参数 电源为3S11.1V锂电池，理论上能提供最大电压3*4.2=12.6V， 额定转速r额=KV值*电压 （5.31） =1400KV*11.1V=15540rpm 理论上提供最大转速rmax=1400KV*12.6V=17640rpm， 电机额定扭矩T=9550P/n （5.32） =9550*0.178/15540=0.109Nm， P为电机额定功率KW，n为转速r/min， 推力6.86N>5.3N，符合飞行拉力。 A2212/10T 1400KV电机，直径为22mm，转子高度为12mm，一般电机越大，其转速与扭力越大。T指线圈绕的圈数，10T指定子绕组绕线10圈。无刷电机的KV值的意思为每伏电压的转速，如果电压加1V，无刷电机的空转转速就会增加多少的转速值。当KV值越大时，相应的速度越快，但扭力是越小；当KV值越小时，相应的速度越慢，但扭力是越大。 图5.31 A2212/10T 1400KV型号电机 电子调速器的选择一般搭配电机型号选择，电调要求满足功率大于等于电机功率。处于安全考虑，一般电调电流需要有余量，电流值稍大于电机最大负载电流，由表5.6.5得电机允许最大电流为16A， 所以I调>16A， 可以选用20A或30A电调，由于电调的安数差异，电流安数越大，体积也越大，重量越重，价格越贵，再大的电调将浪费资源。本文选取30A电调，极限使用：持续工作电流30A，瞬间35A ，40A持续10秒,电池节数2-4S，检测重量为27g。红和黑线为输入线接电源，中间红黑白为信号线连接收机，三根蓝线为输出线连电机。 图5.32 30A电调 因为选择的电调参数为30A，所以电池的放电电流要大于30A。本文采用红牌锂电池。 图5.33 红牌锂电池 图5.34 电池参数 电源选择3S11.1V，23*34*108mm型号,重量为183g， 最大持续电流=电池容量*持续放电倍率 （5.33） =2.2Ah*25C=55A 电池能量=2200mAh*11.1V=24420mWh=24.42Wh （5.34） 符合电调的要求电流。 5.4机架部分 中心板是机架核心，主要起连接固定四个机翼的作用，和安置其他传感器接收器等作用，一般情况，中心板有两层，四臂与中心板通过螺钉连接[13]，与机翼连接处有多个小孔，本文四旋翼飞行器设定为“X”模式，大体框架类似为一个斜的“十”字，所以上中心板设定尺寸型号为100mm*100mm*2mm同时为了减轻质量设计成如下所示，详见图纸 图5.41 上中心板 下中心版主要也是固定机翼，但还需承载电池及其他部件，与机翼的连接处有孔用螺钉连接，因此要满足目标参数条件，尺寸为156mm*89mm*3mm，为减轻质量，设计成如下图， 图5.42 下中心板 机翼主要起支撑固定电机作用，在四旋翼中也有四只机翼，四臂末端，一般有电机座固定螺孔和起落架固定螺孔[13]，因为本设计飞行器尺寸较小，起落架与机翼是一体式结构，机翼一端连上下中心板，另一端承载电机，由图5.2.1知上中心板最长尺寸处为100mm，所以上中心板顶端到机翼上的轴心为115mm才能满足330mm的轴距，而承载电机的支座半径应大于电机半径13.85mm，为减轻质量又不影响机翼强度设计成如下，详见图纸。 图5.43 机翼 飞行器的螺旋桨是提供飞行器推力的主要部件，运作中一般是高速旋转的，在近距离飞行时，或室内飞行，与他们接触十分危险，坚固的螺旋桨高速的旋转很容易伤到人体。此外，飞行器在撞击墙壁或坠机时，螺旋桨也是最常见的破损点。螺旋桨防护装置有助于降低人身伤害或螺旋桨损毁的风险，螺旋桨防护装置一般设计结构坚固，重量轻。防护罩最小半径Rmin略大于桨的半径101.6mm，采用螺钉连接固定于机翼上，因此设计成如下形状。详见图纸。 图5.44 防护装置 5.5自锁螺钉螺套和子弹头 该部分起到连接桨和电机得作用，由表5.3.2得电机转轴直径为3.17mm，自锁螺钉的轴孔和轴的配合查互换性表[16]，选择基轴制配合选择G7/h6间隙配合，轴孔尺寸为3.17-G7。自锁螺钉和子弹头螺纹选择普通螺纹，旋向右旋 螺钉螺纹大径d为5mm， 牙型角α为60， 线数n为1， 螺距P为0.8mm， 导程Ph=Pn=0.8mm， 小径d1=d-1.0825P=4.134mm， 中径d2=d-0.6496P=4.4804mm， 牙高H=0.5413P=0.43304mm， 旋合长度参考互换性表得[16]， 旋合长度L>7.5mm定为13mm。 查互换性表选择螺纹推荐公差带为中等，所以内螺纹公差带取为7H，外螺纹公差带取为6g，查互换性表得 外螺纹大径公差值为Td=150， 内螺纹小径公差值为TD=250， 查互换性表得内、外螺纹中径公差 外螺纹中径公差值为Td2=95， 内螺纹中径公差值为TD2=160， 所以外螺纹为M5-0.8-6g-L, 内螺纹为M5-7H 7H-L 内、外螺纹公差带为M4.9*0.8-7H/6g。 当装配完成后，随者子弹头的拧紧，就能固定电机和螺钉，设计成如下图 图5.51 自锁螺钉 图5.52 螺套 图5.53子弹头 5.6质量及续航估算 预估计飞行器整体部件的质量如下表， 由6.2节UG建模并对材料赋值为铜箔8900kg/m3，得 名称 体积（mm3） 质量（kg） 数量 下中心板 17470.7103 0.1555 1 上中心板 6675.0231 0.0594 1 表5.61 对以下零件材料赋值为尼龙1140kg/m3， 名称 体积（mm3） 质量（kg） 数量 保护罩 7808.1002 0.0089 4 机翼 16633.3269 0.019 4 桨 3936.1073 0.0045 4 表5.62 对以下零件材料赋值为Q235钢7850kg/m3， 名称 体积（mm3） 质量（kg） 数量 子弹头 621.5926 0.001 4 自锁螺钉 384.9182 0.003 4 螺钉套 330.2136 0.0026 4 表5.63 名称

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