旋翼飞行器说明书要点

四旋翼飞机Quadrotor设计指南指导教师：第一组：CNC13-1类2013年12月列表一、简介21.1简介2国内外1.2 quadrotor研究现状2二、设计要求和设计思路32.1设计要求32.2设计理念3三、方案结构设计43.1多轴转换43.2动态分析63.3能源消耗分析8四、一般零件强度检查84.1起落架检查计算：84.2螺栓检查计算：9五、材料选择和加工技术95.1选择材质105.2加工技术：10六、总结和展望11七、参考文献12一、简介1.1简介人类制造的、从地上飞、在宇宙中飞、由人操纵的飞行物都称为飞机。在大气层内飞行的飞机称为气球、滑翔机、飞艇、飞机、直升机等飞机。他们通过空气的静态浮力或空气的相对运动产生的空气的力量飞上天空。飞机不仅广泛用于军事，而且在民间领域的作用也越来越大。机载GPS和MEMS惯性传感器的飞机在没有人为控制的室外环境下也能飞，因此国内外进行了很多研究。对飞机的研究目前主要由固定翼、旋翼、杨树式三种组成，四轴以布局形式属于旋翼之一，与其他旋翼飞机相比，结构紧凑。四轴可以垂直起降，不需要滑行就可以起飞和降落，不需要专用机场和跑道，降低使用成本，分散配置，便于伪装，对敌人进行突袭和侦察。四轴可以自由悬停和垂直起降，结构简单，易于控制，这些优点具有广泛的应用领域，具有调查监控、其他战斗武器的知识目标等一般战场所需的多种战斗功能，也可以用作投掷武器的载体。目前海外四轴的研究正在积极进行，美国、日本、德国等都有这样的研究项目，技术比较成熟。国内外1.2 quadrotor研究现状四轴的设计分两个阶段进行。第一阶段，在20世纪初，法国科学家和查尔斯理查德制造了小型无人驾驶直升机，机器并不太成功，但受到了一名学生路易斯布雷根的启发，1906年下半年在李赫教授的指导下完成了独立设计的直升机实验。1907年，Breguet兄弟制造了第一个载人四轴飞行器，首次试飞载人飞行高度1.5米。虽然稳定性很低，但当时飞机只是早期阶段，Breguet兄弟实现了垂直飞行，取得了惊人的成果。20世纪20年代初，乔治德波特扎为美国陆军航空服务部队制造了实验性四轴飞行器直升机，成功地飞行了巨大的六刀片旋翼，但这架飞机非常复杂，控制力差，飞行员工作量不小，不得不向前飞行，最终在1924年，美军取消了四轴飞行器的开发。在此阶段，设计了第一架成功的垂直起降飞机载人四轴飞行器。但是早期原型性能不好，稳定性差，实用性和操纵性低，因此载人四轴的开发几乎中断了。第二阶段从21世纪初到现在，四轴的动力能源被电力采用，逐渐被各国接受，主要是无人机广泛应用于军事、商业和工业领域。无人机主要由固定翼无人机和旋翼无人机两类组成。旋翼无人机在自由度、低速飞行能力、悬停、室内应用等诸多方面优于固定翼飞机。四轴作为具有独特飞行性能的无人机受到了越来越多的关注，迅速成为国际上新的研究热点。在市场上，四旋翼飞机位于专业的高端空中秋千上，制造成本高，单拍摄装置，该设计主要通过四旋翼飞机的总体结构模式、成本管理和对灵活转换拍摄装置的导航，提供成本节约、大众化、稳定性和可靠性。2、设计要求和设计思路2.1设计要求1.飞机使用四个转子作为飞行的直接动力源。自主起飞和降落能力；中心帧可以为3、4、6和12轴公用。可以以各种角度飞行和拍摄。飞行控制板、电池、电气谐波电机合理合作；6.整体设计必须美丽轻巧。2.2设计理念四轴使用四个转子作为飞行的直接动力源，转子在身体前后、左右四个方向对称分布，四个转子在同一高度平面上，四个转子的结构和半径相同，转子1和转子3顺时针旋转，转子2和转子4逆时针旋转，以确保平稳飞行，四个马达对称安装在飞机支架末端，支架中间空间布置飞行仪表板和外部设备下一点开始：(1)确保强度要求和整体结构(安装碳纤维杆、安装控制板、安装电池、安装起落架)，同时飞机中心机架更轻。2)飞机启动设计。电机最大工作电流与电池最大供给电流一致，飞机起飞重量与电机张力一致，保证电机最大功率下输出电流电调制最大电流电池最大电流。3)飞机的能量转换方法。综合考虑能源转换和飞行动力之间的相对关系，最大限度地提高能源利用。4)飞机的起落架设计。起落架尽可能简洁，轻便，有缓冲保护作用，材料韧性好。5)飞机的外观设计。在不影响飞机的正常飞行中，要尽量降低自己的重量，考虑飞机的整体面貌。6)成本分析。飞机能够基本运行时，充分考虑材料选择成本和加工成本的取舍选择。围绕这个中心展开了一系列分析和构想，经过反复讨论，终于确定了我们的设计理念。三、程序结构设计四轴在克服飞行中的空气阻力和自身重力的同时，必须从平稳飞行和各个角度拍摄，因此主要考虑多轴转换的三个方面：动力学分析、能源消耗分析。3.1多轴转换方案1，使用中心距离的变化调整轴数的变化(图1):优点：1。可以在最小的中央车床上安装最多的轴。2.可以调整轴角度的更容易的平移轴的数量和角度；中心机架更轻，成本更低。缺点：轴的放置位置占据了安装其他装置的位置，增加了总空间，不能充分利用槽固定稳定性。图1场景1(中央板设计)使用方案2、多个分支长度组合调整轴数(图2):优点：1。防止多轴占用其他设备的空间。用螺丝拧紧更可靠。图2方案2(中央板设计)总之，我们很好地解决了采用方案2，一方面飞机多轴转换问题。另一方面，避免了场景1的多轴占据其他设备空间，固定强度不足的问题。3.2动态分析为了保证飞机移动过程中由机翼产生的升力大于飞机的飞行重量，并根据电机旋转产生升力，使机身向上运动，对电机张力计算1有以下公式：类型：t扭转为马达扭矩，nm。p是马达功率，w；n是马达速度，r/min；f是马达张力，n；r表示电动机中心距离，mm；I是马达电流，a；r是电动机电阻，。结果马达产生的张力为4.099N，4个马达产生的张力为16.396N是。由于四个机翼的相互作用，实际上拉力是拉力的0.7倍，因此产生的拉力总计为11.4772N。机翼升程计算4:通过将机翼分割成无数小叶片，每个小叶片成为一个叶片素(图3)，计算每个叶片的升力，释放叶片的升力，叶片的升力在旋转中心为r，展开方向的大小为dr，叶片局部弦长为c，相应升力产生的升力增量为：这可以计算整个刀片的升力。型式：C1为提升系数，为本端提升角度，r 077为提升线拔模。图3叶元素的几何形状由于机翼平面引导速度v1的存在，在示例中，有效速度和气流速度之间存在二次角度，局部仰角是图(叶几何图形的几何图形)所示的有效速度和转子之间的角度，可以由叶片几何图形安装角度和二次角度确定。下洗角是相互垂直气流速度 r和诱导速度v1，即其中 r和v1的比率可以通过以下方法确定：根据空气动力学翼型理论，机翼失速前升力系数C1和高度之间的关系基本上与雷诺数Re无关。也就是说，升程线斜率a与Re无关。这样，在机翼失速之前，就可以用一般空气动力学理论确定的升力线斜率求出升力系数C1，并基于官方计算机机翼的升力。(低马赫数普通叶类型的升力线斜率大约等于每度0.1)飞机的起飞重量=飞机的重量飞机质量*加速度11:G总是飞机的起飞重量。n；g按飞机的重量飞行，n；以飞机质量飞行的m，kg；飞机起飞加速，m/S2；t用马达张力推动，n；f母在飞机起飞时施加摩擦力，n；f飞机的静摩擦，n；f飞机起飞时的空气摩擦，n；v是空气的流速，m/s；a是空气中的雷诺数，CD是升力系数，k是静摩擦系数，g是飞机的重量，n。G=6.958N，a=0.0547m/s2，f null=8.99N，f静态=2.0874N飞机的飞行重量有一个公式，该公式引导6.997N小于翅膀升力10N，马达起飞最大重量为1164g的飞机，马达功率按额定功率计算，因此经验3.3能源消耗分析为了确保电池供电的能量足够转换为机翼的旋转的升力来移动身体，电动和马达的选择在整个结构的前提下，最低能耗是最好的。看一下相关资料11，电池输出功率是电能传输，电线能量损失是：公式：p线损失的导线损失功率，w；I是导线通过的电流，a；r导线电阻，；p传输到电池输出功率，w；u电池输出电压，v导线损失计算为2.502W，电气调制损失计算为3W。电动机的损失包括热能和声能两个方面的具体损失：如果电机拖动原理马达内部电阻为0.52欧姆，则透过马达定子的电流为10/0.52=19.23安培，产生192.3焦耳。四、一般零件强度检查4.1起落架检查计算：飞机着陆时，起落架可以使飞机平稳着陆，吸收受冲击影响的能量保护飞机部件，起落架接触一端时对起落架的冲击最大(起落架如图4所示)，对起落架接触一端时所施加的冲击进行计算，并确认相关资料5:样式：p表示冲击，n；h表示起落架厚度，mm；l是起落架宽度，毫米；b为起落架长度，mm；e是材料弹性系数，MPa。变形起落架需要127.29N，飞机的起飞重量6.997N:格式：f是冲击，n；m表示飞机质量，kg；v是飞机飞行速度，m/s；l是飞行高度，m最大冲击为71.397N，由于改造起落架的冲击为127.29N71.397N，因此起落架符合强度要求。图4起落架4.2螺栓检查计算：为了实现电机的稳定旋转，螺栓的连接强度必须满足剪切强度和压缩强度。螺栓的电动机旋转的剪切强度10:按公式计算的剪切强度=4.35MPa查找表螺栓的p为284MPa，满足强度要求。连接器孔壁和螺栓光杆的压缩强度：按公式压缩强度6.148MPa查找表螺栓的强度要求为284MPa。五、材料选择和加工技术5.1选择材质在此方案中，大多数零件以3D打印机加工方式处理，加工零件大小稳定，表面光泽度好，易于进一步加工，因此打印输出的选择主要考虑成型性能和物理特性，并比较以下三种材料性能7:塑料类型成型性能物理性能ABS成型性能中等，收缩小，冷却速度快，流动性能好高冲击强度，中等加工性能，化学稳定性PP性能优秀，耐热性差，可变性好，相对轻抗衰老、抗冲击、良好的电绝缘、低易燃性韧性PLA成型性能中等，轻不易变形，冷却速度快，收缩率小冲击强度、稳定性、加工性好、韧性好，容易分解与三种材料相比，PLA塑料在成型、后加工和稳定性