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火情 探测 无人机 设计 森林 飞行器 结构设计 12 PDF 图纸 CAD 制图 文档

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四翼火情探测无人机设计摘要四轴飞行器目前属于火热的可垂直起落的飞行器，具有结构简单、动力强大、可用的行业范围大并且飞行时可靠性高，各种专业程度高的飞行器被各行各业所喜爱，因此，主流研究其专业化越来越密切。本文所设的无人机乃用于观察森林里的火情，是专行专业使用的。本文对四轴飞行器的机构与原理先行分析，主要是设计四轴飞行器的结构部分，通过对机架里的主板、力臂与起落架等机械结构设计，选择合理的碳纤维复合材料来构造机架，通过三维软件来建模，组成一个四轴飞行器的机架，对于云台机械结构的设计分析，利用齿轮减速机构来细分转动角度，通过支架来支撑摄像机。叙述了森林火情探测的四轴飞行器的设计过程，从动力部分、结构部分到控制部分。关键词 四轴；飞行器；结构设计；碳纤维；机架；云台AbstractFour aircraft at present belongs to the hot axis can be vertical take-off and landing aircraft, has the advantages of simple structure, power strong, the available industry when flying range and high reliability, high degree of professional aircraft is enjoyed by all walks of life, therefore, the mainstream study its specialization is more and more closely. The uav used in this paper is used to observe the fire in the forest.Four axis in this paper, the analysis of the mechanism and principle of aircraft, mainly design of aircraft structure parts, four axis through the frame in the motherboard, lever and the landing gear and other mechanical structure design, selecting rational carbon fiber composite materials to construct the frame, through 3 d software modeling, composed of a vehicle frame, four axis for head machinery design and analysis of the structure, gear reduction mechanism is used to segment the rotation Angle, through a bracket to support the camera.This paper describes the design process of the four-axis aircraft in forest fire detection, from the power part, the structure part to the control part.Keywords our-axis aircraft structural design carbon fiber rack head34目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1课题研究的背景及意义11.1.1课题研究的背景11.1.2课题研究的意义11.2四轴飞行器的发展的状况21.3本课题的主要研究的问题以及各章安排51.4四轴飞行器的结构形式51.5四轴飞行器的飞行原理62动力系统设计82.1起飞重量的确定82.2电机方案与选择82.3螺旋桨的选择92.4推重比的确定92.5电池的选择112.6电调的选择122.7电池充电器的选择133机架结构设计143.1机架结构的方案与选择143.2机架材料的选择153.3主板的设计173.4力臂的设计173.5起落架的设计183.6电机底座的设计194云台结构设计214.1云台结构的方案与选择214.2减速器设计214.2.1X轴上的减速器设计214.2.2Z轴减速器设计234.3轴的设计244.3.1X轴的设计244.3.2Z轴的设计244.4轴承的选择254.4.1X轴轴承的选择254.4.2Z轴轴承的选择255控制系统设计265.1飞控系统的设计265.2无线数据传输路的设计295.3总体控制系统的设计30结论32致谢33参考文献341 绪论1.1课题研究的背景及意义1.1.1课题研究的背景无人机分为固定翼无人机和旋翼无人机两大类。在过去几十年里固定翼无人机获得了迅速的发展并形成了成熟的技术线路，曾在美军海湾战争中扮演了重要角色，充分展示了无人机在军事领域中的突出优势。与固定翼无人机相比，旋翼无人机拥有独特的优点：（1）可垂直起降，不受起飞降落场地限制；（2）受环境影响小，可在复杂环境条件下作业；（3）操纵灵活、机动性强，可满足不同飞行工况要求。由于旋翼无人机的控制原理较固定翼复杂，难以实现旋翼无人机飞行姿态的自主控制，使得旋翼无人机的发展较为迟缓。近十几年来随着先进材料技术、无线通讯技术、控制科学、数字信号处理技术等的不断发展，使得旋翼无人机的开发和研制有了重大突破。飞行器可用于民用行业、满足国防需求，还可以开发和利用太空资源、进行太空操作和相关试验等，因此国内外对飞行器进行了大量的研究。飞行器里面的有一个特殊存在的飞机有四轴飞行器，它的其他名字有叫四旋翼。也被称为四轴。它的螺旋桨与电机是直接简单联系，并且结构形式简洁。当前四轴飞行器主流还是消费级的产品，众多飞行爱好者是其拥有的主力军。现在四轴飞行器大量是用于航拍的。目前有许多优秀的无人机公司对四轴飞行器的发展不仅仅是它的硬件的升级或者是换代，越来越多的工业级，农用级和民用级等等的四轴飞行器的发布与研究，未来的四轴飞行器的发展方向朝着专业化分类，做到物尽其用，术有专攻。针对这个发展趋势，利用现有的研究结果来设计用于森林火情探测的四轴飞行器，设计它的机械部分的结构，合理的根据现有的控制板来装配，并且设计四轴飞行器的云台结构部分，丰富四轴的功能。因此研究开发新型的四轴飞行器具有重大的现实意义。1.1.2课题研究的意义本文主要研究的是四轴飞行器的结构，它的应用的地方是森林火情的探测。现在的四轴飞行器种类多，很多公司都开发了自己的四轴飞行器。缺点与优点是共同存在的。本文设计的四轴飞行器除了自身的结构外面，还要搭载视频相机与热成像机，通过参考市场上的类似的四轴飞行器来设计与研究。本文通过经验来确定本四轴飞行器带来的载荷，从而来敲定四轴飞行器的电机需要用的动力，根据这个来选择市面上符合要求的动力系统里的各种装置，以达到匹配并且不会浪费。再根据已经确定的螺旋桨的尺寸来通过经验公式大体的求得四轴飞行器的轴距，四轴飞行器的机架的设计及里面的主板的设计，力臂的设计和起落架等等，根据轴距来确定基本尺寸。使用三维软件把设计的机架各部分来进行建模，再把这些零件组装起来展示。这些硬件结构有了，还要有软件来支撑，这样四轴飞行器的设计才能完整。本文选择了现有的市场上的优秀的飞控系统模块的选择，选配适合本文的飞行器，还有各种有效且优良的遥控器等等模块。使得控制系统完善，便于飞行器的应用。本文是对于四轴飞行器结构的设计，用以确定机架各部分的样式与尺寸，搭合理的动力系统与控制系统。设计了云台的结构部分，使其能够完成拍摄角度的调动。可以参考那同类型的四轴飞行器，对自己的四轴飞行器进行改良与设计作为基础。1.2四轴飞行器的发展的状况四轴飞行器的发展有历史可以看见，它的发迹史也是很有意思的。(1)1922年由Bothezat研发而来的四轴飞行器“飞天章鱼”如图1.1所展现的，其目的是因为美军的请求而开发的，美军想要能够完成垂直起落的四轴飞行器，他们直接使用原来的大小的飞行器。这个“飞天章鱼”身材巨大，通过180HP给与的动力来向天空飞行。早期的薄弱技术支撑只是让它在这自由的天空中呆了60秒，其到达的高度紧紧为15.24cm的距离。但是这个举动为未来的四轴飞行器的发展埋下基石，未来的飞行器更加优秀。图1-1 Bothezat的“飞天章鱼”(2)1950年以后，美国陆军没有放弃对飞行器的垂直起落的研究与发展，他们又开始研究起来，不断的邀请各种优秀的专业人员与行业进来。Curtiss-Wright 公司为美军提供技术支撑与研究，并且加入了“会飞的吉普车”飞行器计划。公司由此研究开发了VZ-7，如图1.2所示。这个产品在1958年中交给了美军使用。VZ-7设置有一个机身和飞行员的座位，并且有了油箱和飞行控制。在机身的两侧旁边那，飞行器的螺旋桨全部是没有盖子保护的的(飞行器上一开始布置了有裹尸布，然而后期被要求给取消掉了)。飞行器它有四个螺旋桨。VZ-7的控制原理是通过改变每个螺旋桨的推力的大小。这架四旋翼飞行器同样具有庞大的体积，需要的较大的升力，其每个旋翼直径达8米，有6片桨叶，整机重量超过1600kg。其中，由一个发动机带动的四个旋翼又可以实现单独控制，正因如此，这架四旋翼飞行器实现了升力和姿态的控制，到1923年年底，以低高度成功试飞了大约100次。但因为整机成本太高，操作复杂和等因素，使得本来支持研发的美国军方也对其丧失了研究兴趣。虽然美军的计划并没有因为这个产品而得到解决，但是这个产品的出现使得美军的计划有了明确的未来和发展。图1-2 Curtiss-Wright的VZ-7(3)在1990年的早期，美国工程师Mike Dammar设计的四轴飞行器，它是由电池这个能源来提供电力的，它叫做Draganflyer,如图1.3所示。也被称为四轴飞行器的第一代，它为四轴飞行器的未来发展证明了对的方向，未来四轴飞行器得到了大力发展，各种四轴飞行器应运而生。图1-3 Draganflyer四轴飞行器(4)2010年后，由Parrot设计的四轴飞行器，它叫AR.Drone，如图1.4所示。它可以通过苹果的IOS系统的连接WiFi的电子产品来实现遥控能力。它还搭配了许多个传感器模块，包涵了前置，直立式摄像机头与超声波发生器。还有三轴加速计与陀螺仪。法国 Parrot 无人机公司是目前国际上主流的几家无人机公司之一。其开发的四旋翼无人机以可使用i Pad、iPhone、iPod Touch上的软件对其进行控制见长，可基于自身发出的Wi-Fi信号进行操控。摄像而得的画面会实时传送到显示屏上。自动驾驶仪可轻松实现起飞和降落。当它与敌人在房间里面埋伏时发生战斗，整个外壳将保护它免受冲击。AR.Drone由碳纤维和高耐PA66 塑料制成。所有部件均可替换，以便简单快速维修。但是当时只是定位为一种高科技玩具。轻便、灵活、安全、控制简单等优秀的性能，致使它开始流行，这也带动了四旋翼飞行器的发展。在类似玩具中，四旋翼飞行器的优势明显，相比于尺寸相同的固定翼其飞行更加稳定，而相比于尺寸相同的直升机其结构简单成本低。它也就是四轴飞行器进步的阶梯以及渐完美的体现。图1-4 Parrot的AR.Drone(5)2013年，国内大疆设计的Phantom，如图1.5所示 ，这是DJI首款可用于空中拍摄的小型Ready-to-Fly垂直起降、一体化多旋翼飞行器，它不仅具有精美外观，还拥有DJI专业飞控系统的核心集成了高寿命、稳定的飞行动力系统，Naza-M+GPS多旋翼飞控系统，并配置定制的无线电遥控系统，在出厂前已经设置并调试所有的飞行参数及功能。其免安装、免调试，可以实现即刻飞行；易操作、易维护，让稳定飞行和趣味航拍轻而易举。图1-5 大疆的Phantom(6)广州极飞科技有限公司于2018年设计的P30型植保机，如图1.6所示，它装了最新型的SUPERX3 RTK 智能化飞控系统和XAI 农业引擎，P30拥有先进的工业设计，强大的力量装置与超高的防水能力，重新定义无人机行业的技术界限。传承极飞X的美学血脉，一体化的机身主板，封闭式的航电舱体的构造，流线型气动布局。P 系列无人机材料学的造诣，将碳铝复合技术发挥到最完美的地方，搭载SUPERX3 RTK 智能飞控系统，P30的防水性能达到了前所未有的IP65级。对于在于专业的领域里面使用四轴飞行器而言是至关重要的，用于未来四轴飞行器发展的行业正在增加。随着越来越多的行业的涉足，将利于四轴的专业服务于各个行业。图1-6 极飞的P30对于四轴飞行器的历史来看它的发展，它的市场价值有目共睹的，它的各项性能的发展也是越来越优秀，由此可以看出来在以后的社会，无人机的发展与应有将会有新的机遇。1.3本课题的主要研究的问题以及各章安排本文主要是研究设计用于森林火情探测的四轴飞行器，此四轴飞行器能帮助消防员快速探查森林里的火源，并且它能够在安全区域对火灾现场进行实时监控。 携带的相机设备让消防队更清晰观测火势蔓延路径，并评估可能出现危险的区域，指挥者可因这个来提前布局，以应对火情的蔓延，能够使其的决策更加有效率。可以通过携带的相应设备，让消防员可通过红外图像识别浓烟中隐藏的热点及火源。四轴飞行器的使用，让消防队能更细致的监控现场环境，得到更多的信息。科技让消防员及时获取火场关键信息，并在最短时间内做出判断。通过对四轴飞行器的基本参数先行确定，再根据这个了选择确定电机的型号与大小。动力系统的确定，再根据这个来设计四轴飞行器的机架结构，通过三维软件来建模，来展示四轴飞行器的具体外形和结构。云台的结构设计，其可以二轴转动，水平方向与垂直方向转动，使得探测范围灵活与变通。云台与摄像设备的搭配使的能够大范围的观察火情，再选择优秀可靠的控制系统里的部件，为了给无人机装上灵魂与核心。这些东西能够组成一个完整的四轴飞行器，并且能够完成设计时的目的。本论文共分为六章，每个章的安排如下：第一章：课题研究的背景与意义和四轴飞行器的发展状况以及结构形式与飞行原理第二章：四轴飞行器的动力系统的设计，内部模块的选型第三章：四轴飞行器的机架结构的设计，内部各零件的设计第四章：四轴飞行器的云台结构的设计，内部各零件的设计第五章：四轴飞行器的控制系统的设计，内部模块的选型第六章：总结1.4四轴飞行器的结构形式直升机在巧妙使用总距控制和周期变距控制之前，四旋翼结构被认为是一种最简单和最直观的稳定控制形式。四轴飞行器的结构是最简洁明了的安稳坚牢的控制形式，这样的形式需要一起同步的来操纵支配四个螺旋桨的运动参数。对于有人驾驶的操控来说是难于登天，因此，对于我们常见的大型的直升机来说，没有这种多轴形式的。四轴飞行器的螺旋桨的能效率比较低，从个体上的螺旋桨增添拉力是及其有限制的。因此，使用多个螺旋桨的结构形式对于增加四轴飞行器的负载能力有十分有作用的。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。螺旋桨1与螺旋桨3逆时针运动，螺旋桨2与螺旋桨4顺时针运动，四个电机也是与螺旋桨相同的安装方式，飞控板是安装在主板中间，其结构形式如图2.1所示。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。图2-1 四轴飞行器的结构形式1.5四轴飞行器的飞行原理四轴飞行器的飞行原理，是用改变电机速度从而来改变螺旋桨的拉力，这样便容易控制四轴飞行器的飞行姿态。因为飞行器的起落变化是通过螺旋桨的速度的改变，这样就让它的动力温和，不会发生转折，这样便需要长久的控制法。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。四轴飞行器的飞行状态如下种类，如图2.2所示的飞行状态图。1.上下飞行 通过电机电流的加大，同步提高四个螺旋桨的升力，四轴飞行器就会向上飞行;相反来说，四轴飞行器就会向下飞行。2.前后飞行 通过改变四轴飞行器的仰俯角度，一旦四轴飞行器朝前面倾斜，那么重力与升力相互抵掉消除于垂直方向的分量。3.左右飞行 通过改变四轴飞行器的滚转角度，一旦四轴飞行器朝左右倾斜，那么重力与升力相互抵掉消除于垂直方向的分量。4.仰俯飞行 四轴飞行器按自己的y轴转动，飞行器在低头飞行时，它的无刷电机1与2会降低自己的速度，在这个时候，电机3与4就会提高自己的速度，在这个情况下，四个螺旋桨的升力带来的反扭矩之间依旧在它们之间抵掉消除。5.滚动飞行 四轴飞行器按自己的x轴转动，飞行器在滚动飞行时，它的无刷电机3与4会降低自己的速度，在这个时候，电机1与2就会提高自己的速度，在这个情况下，四个螺旋桨的升力带来的反扭矩之间依旧在它们之间抵掉消除。6.偏航飞行 四轴飞行器按照自己的z轴转动，一旦电机1与3的速度被加大，那么同一时刻电机2与4就要把速度给降低下来。这种情况下螺旋桨提供的升力不会因为这样而抵消它们的反扭矩的，这样就会发生反扭矩的影响，朝顺时针的扭矩就会产生向右偏航。图2-2 四轴的飞行状态2动力系统设计2.1起飞重量的确定设计的开始，第一步要明确四轴飞行器的应用方向和装载质量。本文设计无人机的载重量一般来说有所装配的探测设备等外携带物。本四轴飞行器是为了对森林火情的探测来服务的，其中含电池、飞控和用来探测的设备，估测质量有2000g，为以后可能要携带的设备特殊，其再增添200g，最后装载质量是2200g。起飞重量的敲定，在没有其他的情况下，起飞重量相当于设计的重量。四轴飞行器的起飞重量的计算公式：（2-1） 式中 四轴飞行器应用装载重量； 四轴飞行器应用空重； 四轴飞行器空机重量系数。起飞重量的估测;首先确定应用装载重量WPL。上文已经估测装载质量为WPL=2200g，接着合理猜测个起飞重量的值WTO。再按下面公式来计算WE的试看值WE。查常见飞行器的相对重量统计值的表可得四轴飞行器的空机重量系数为0.38。先比较WE和WE的值,再逐步增加WTO的数值，每次增加100g，直到WE和WE的数值较靠近。计算过程如下表3-1所示。表3-1 计算过程表WTOWEWE3000800114031009002480320010001216330011001254340012001292350013001330360014001368370015001406如表3.1所示，当WTO=3500g时，WE与WE的数值最接近。所以四轴飞行器的起飞重量的估测值为3500g。2.2电机方案与选择方案1：有刷电机的选择，有刷电机历史悠久，它具有很简单的把电机工作掌握在自己有能力处理的范围里，而且它工作时能稳定的进行，不会出现大问题。它也能够带来巨大的转矩从而在进行爬坡时能够不吃力的进行，并且表现强。它的开启能力是比无刷电机好很多，但是有刷电机里的齿轮很微细，而且工作时间久了就会受损零件，要想经常性工作，就要过一段时间来更换里面的刷子，这样才能达到良好的应用体验。方案2：无刷电机的选择，无刷电机不同于传统形式的电机，它是通过电路板来控制改变无刷电机的各种工作状态。它没有了有刷电机的刷子的机械换相机构，这个导致没有刚刚方案1的要更换刷子的问题，也就没有了后期的开销更换零件的问题，并且它也没有用上减速器，齿轮式的取消造成了不再受动力损失的结果，从而提高电机的效率。但是它最明显的缺点就是由于其特殊性，以及造价成本高，导致它的价格比传统的电机高了太多。最终参考各种资料，并且将两种方案细微比较，最终敲定了第二种方案，采用无刷电机，因为四轴飞行器在空中飞行时需要不断改变自身飞行情况，所以电机也要能够完成同样的变化，并且也要求了电机需要工作时间久和提供动力也是比较高。跟相同的电机，不同的KV值，用的螺旋桨也不一样，每个电机都会有一个推荐的螺旋桨。相对于来说螺旋桨配得过小，不能发挥其最大推力；螺旋桨配得过大，电机会过热，会使电机退磁，造成电机性能的永久下降。电机最大动力应该是3500g，经过查各种资料，本文选用Tiger-MOTO的MN3508 KV580电机，如图3.4所示。3508表示电机定子的直径和高度。前面两位是定子直径，后面两位是以毫米为单位的定子高度，KV580代表的是表示KV值是电机每1V电压每分钟的转动速度，其在1V电压时为580n/min，10V的电压下是5800转每分钟的空转转速。2.3螺旋桨的选择同一个型号的电机产品，也有不同的KV值，也会有推荐来搭配的螺旋桨，相对而言，螺旋桨太小，无法发挥最大推力；如果螺旋桨太大，电机就会过热，会把电机给损坏掉了。上面已经选择的电机，在其中推荐的配套的螺旋桨选用T-MOTOR的P13*4.4英寸碳纤桨，如图3.5所示。正反桨各一对。其13代表桨的直径是13英寸，也就是330.2mm，4.4代表的是螺距是4.4英寸，也就是111.76mm。螺旋桨参数如下表3.3所示。查电机与螺旋桨匹配参数表格，如下表3.2可以得到单支P13x4.4浆提供的最大推力为1230g，那么可以来算，总四个螺旋桨能提供的总体升力为4920g。（1230*4=4920g）2.4推重比的确定推重比是动力装置的推力与飞行器起飞重量的比值。对于四旋翼飞行器来说，推重比是非常重要的参数。推重比直接影响飞行器的性能。飞行器的推重比越大，加速越快，可以很快达到飞行器的最大速度。但是，如果推重比过大，电机、电调和电池都要选用参数较大的，这样将导致起飞重量增大，所以推重比选择适当大小即可。理论上，要使四旋翼飞行器能够起飞，推重比最好能大于1。推重比：4920/3500=1.41，推重比大于1，理论上，四轴飞行器可以做基本上所有的飞行动作。表3-2 电机与螺旋桨匹配参数表 环境温度测试电压环境恒压编号电压（V）螺旋桨油门电流（A）功率（W）拉力（G）转速力效（G/W)电机温度()MN3508KV58014.8T-MOTOR13*4.4CF50%2.232.56360400011.06 65%4.262.1660052009.6575%6.190.2877059008.5385%8118.4091065007.69100%9.6142.08105070007.3950%2.638.48450400011.694365%574.0071052009.5975%7103.6090057008.6985%9.3137.64112063008.14100%11.3167.24123066007.3550%3.754.76600380010.965565%7103.6093046008.9875%9.7143.56115049008.0185%12.9190.92135057007.07100%15.2224.96152061006.76 表3-3电机基本参数螺旋桨型号13*4.4（330.2mm*111.8mm）使用环境温度-40-65参考单片重量（g）14.2g保存温度-10-50材质碳纤+树脂保存湿度80%表面处理工艺打磨面表现较佳转速段5000-8000转/分钟属性归类一体桨极限拉力4.5kg表3-4 螺旋桨基本参数电阻110m槽极12N14P轴径4mm电机尺寸41.8*26.5mm矽钢片外径35mm矽钢片高度8mm线号18线长600mm电机重量（含线）103g电机重量（不含线）82g支持锂电3-4S空载电流0.4A最大功率400W最大电流18A图3-4 电机图图3-5 螺旋桨图2.5电池的选择电池容量的正确配置是四轴飞行器的飞行性能和续航有着重要的保证的前提，电池容量过于低时会直接导致四轴飞行器在空中执行任务的时间，从而会影响火情探测过程，会引发严重后果。电池容量过于高时，它本身的重量也会增大，在满足任务所需要的续航时间下，可以合理选质量较轻的。由于四轴飞行器在飞行中有不同的飞行状态，不同的状态有着不同的功耗，导致不能明确确定总体的所需电量。探测火情时，四轴飞行器大部分处于悬停状态下工作，所以采取悬停时电机功率来大体计算电池电流和容量。本文最终来选定格氏的锂电池，它的基本信息为6600mAh、4s、14.8V、35C。6600mAh，意味着电池可以放一小时的6.6A电流。35c代表这个电池最大的持续电流就是=6.6*35=231A。参数如下表3-6所示。表3-6 电池的基本参数 电芯格氏ACE锂电芯电芯组合方式4S2P容量6600mAH电压14.8V持续放电倍率35C峰值放电倍率70C体积(近似数据，单位：毫米)长140宽85厚29重量（近似数据，单位：克）720出线（近似数据，单位：毫米）出线接口xt60主电力线头、4S平衡头主电力线长度106平衡线长度75 电池的正确用法有以下要点。1.不过放。不要每次都将电池容量限制在电池极限，这很容易损坏电池寿命。2.不过充。充电时，电池根据充电的C电池数量或低于C的数量进行充电，并且不能超过电流。3.不满电保存。满电不用，时间一久，容易报废电池。4.不损坏外皮。电池的外皮是防止电池爆炸和漏液起火的重要结构。5.不短路。短路会导致电池打火或者发生爆炸事故。6.不着凉。电池长时间在低温放置，它的放电性能会降低，如果在这种情况下飞行会出现安全隐患。2.6电调的选择电调，全称电子调速器，英文Electronic Speed Control，简称ESC。它有有刷和无刷，本文选择的是无刷。它根据控制信号调节电动机的转速。其中控制信号由飞行控制器提供。本文最终敲定了AIR 40A以匹配选定的电机和螺旋桨，电调能够提供的电流是40A。大电流的电调可以兼容用在小电流的地方，小电流电调不能超标使用。电调参数如表3.7所示。表3-7 电调参数型号当前电流峰值电流（10s）标准锂聚合物编程项目重量尺寸（长宽高）AIR 40A40A60A无2-6S调速（中/高）26g55.6*25.2*11.3mm对于它们的连接，如图3.8所示，一般情况下是这样的：1、电调的输入线与电池连接；2、ESC的输出线（3个无刷）连接到电机；3、ESC信号线与接收器相连。图3-8 电调连接图2.7电池充电器的选择通过对已选择的电池，充电器的充电能力应该适合已选电池的要求，最终确定选择格氏的SKYRC B6充电器。参数如表3.9所示。B6充电器，它是一个有着许多功能的充电器，它支持双输入充放电。它支持的充电电池种类包括：Li-ion、Li-Poly、Li-Fe、NiCD、NiMh和Pb， 涵盖了主流的可充电电池种类。同时它还具有放电功能，放电电流为1A。本产品同时内置聚合物锂电池平衡器，可以对2串、3串、4串、5串、6串聚合物锂电池进行平衡充电，令充电效果更好。机身侧面设计有温度传感器接口。B6采用了一个带背光的点阵液晶显示器，可以显示操作菜单和充电状态，方便直观，同时也美观。表3-9 充电器基本参数输入电压直流12V-16V或交流220V转直流12V/5A充电电流0.1-5A,步进0.1A放电电流0.1-1A,步进0.1A可充Nicd/NiMH电池节数1-15节可充Li-Ion -Po -Fe电池节数1-6节可充Lead-acid(Pb)电池节数2-20V平衡充节数二六节电压精度0.01V散热方式金属外壳散热显示16X2字符型LCD显示屏重量580克外形尺寸133X87X33mm四轴的动力系统在于通过螺旋桨、马达、ESC和电池（电池充电器）组合。它给四轴提供动力用以飞行，给其他装置提供电量。3机架结构设计四轴飞行器的机架是四轴机械结构的主体也是骨架，其他的装置都是安装在机架上的所以，对于四轴飞行器来说，机架有着独一无二的重要性。由于四轴的结构，四轴的整体结构布局是设计框架结构时需要解决的一个问题，在初级设计过程里，不可以只是用解析的方法来设计四轴飞行器总体布局，现在有的四轴飞行器的机架设计的结构比较固定，查资料可知有“X”型，如图4.1所示。“十”字型，如图4.2所示，和“环型”，如图4.3所示，无论是“X”型、“十”字型还是环型布局都是随着四轴飞行器的发展和时间检验过的，稳定性是非常高。其中，就“X”型和“十”字型相比较，它们的结构有着异曲同工之处，相对来说“X”型的机动性更上一层楼。 图4-1 四轴“X”型 图4-2 四轴“十”型 图4-3 四轴“环型”3.1机架结构的方案与选择方案1：“十”型的选择，它的前进工作时的转向和四轴飞行器里面的电机们的转向是相同的，没有差别。“十”型飞行器飞行时更加容易，然而它的机动性不行，不能够善于应变，拘泥。如果要装别的传感器的模块时，并不是很容易，相反有些是不简单的。导致功能不全，影响某些应用。方案2：“X”型的选择，“X”型飞行器的飞行状态需要非常优秀的能力来改变控制，它的操作系数相对于来说很高，就这样造成它的机动性很好，能够优秀的展示飞行效果。它的飞行方向被随意变动也是对它来说没有影响，也是容易的。传感器装在上面也是非常方便，不会出现妨碍飞行器的工作与应用。查阅大量资料和两种方案的各方面对比，最后决定采用第二中方案来实行，因为“X”型的四轴飞行器的性能满足本文所设计的飞行器的实际应用场所与性能要求。由于确定了是“X”型飞行器，所以最终采用了“X”型的机架形式，螺旋桨1与螺旋桨3以逆时针的方向开始转动的时候，并且螺旋桨2螺旋桨4也以逆时针的方向转动，在四轴飞行器的飞行状态处于平衡情况下，螺旋桨带来的扭矩会被在彼此之间抵挡消除。同一情况下，可以用改动螺旋桨的速度的方法，使螺旋桨的升力发生变化。这样的话，四轴飞行器就可以完成种种飞行动作。这四个螺旋桨的升力被变多或是变少的时候，会让四轴飞行器完成笔直升起或者降落；当螺旋桨1与螺旋桨2的升力被发生变少或是变多的时候，同时螺旋桨3与螺旋桨4的升力被发生变多或是变少的时候，就会让四轴飞行器发生前进（撤退）或者低头（抬头）的飞行动作；当螺旋桨1与螺旋桨3的升力被发生变多或是变少的时候，并且当螺旋桨2与螺旋桨4的升力被发生变少或是变多的时候，就会让四轴飞行器发生偏离了航向的飞行动作。如表4-4所示。表4-4 螺旋桨速度控制表桨1桨2桨3桨4前进升起偏航俯仰机架的的形式已经确定，紧跟着要把轴距的尺寸确定下来，是为了防止四个螺旋桨在工作时发生碰撞，以导致安全事故。这里选择的是上面已经确定下来的T-MOTOR的P13x4.4英寸碳纤桨。在这里，根据四轴机架的轴距经验公式来确定机架的轴距。（3-1）式中 四轴飞行器机架的轴距（mm） 螺旋桨的英寸已知道为13英寸，可以通过公式求得为583.72mm，为了方便确定轴距，在这里，把四轴飞行器的轴距定为600mm。3.2机架材料的选择首先，应该指出的是，四轴的基本重量是受四轴机架的重量的影响，这意味着它决定了四轴的大体重量。而从侧面直接对四轴的载重和飞行时间变化起了很大的作用。从头说起那就是机架的重量带来的影响，从本质来说那就是机架的材料的不同，对于四轴飞行器的机动性有着很大的影响。一般来说，机架的材料有着下面几类。 1塑胶机架塑胶机架，它的材料就是用塑胶这个材料制作而成的机架。它的最直接的特点是它的强度与刚度有一定范围的适中度，并且又有一定范围的可弯曲度。它是比较便宜好用的材料，一般用于航模飞行使用的机架。 2 玻璃纤维机架玻璃纤维强度会比塑胶材料的要高点。所以由于它有着高的强度，它一般做成长形管道形。和其他的材料相比，它只要很少的材料制作，从而使整个机架减轻了。它是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差。3 碳纤维机架碳纤维与玻璃纤维有着异曲同工之妙。目前整个无人机行业里，高端无人机大部分采用碳纤维材料。它提供高强度和轻重量。碳纤维的机架在无人机材料里面有更大的光明的未来，一般来说，碳纤维比其他普通材料的价格相比来说贵，相比而言，使用碳纤维可以减轻机架的重量又不降低其需要的强度与刚度。4 合金机架合金制作而成的机架，它的硬度与刚度有一定高的保证，但是合金一般来说密度高和质量重，这样带来的是四轴飞行器的载荷的加重，这导致了各种问题阻碍了四轴的发展和突破。经过分析和查看市面上各种相似四轴飞行器的资料后，本文选用碳纤维材料来制作四轴飞行器的机架。碳纤维机架的优点：（1）密度小，质量轻。其密度与镁和铍基本相当，是其他几种金属材料密度的0.200.57 倍，一般来讲，采用碳纤维复合材料作为结构件材料可使结构质量减轻30%40%。（2）碳纤维复合材料具有高比强度和高比模量。通过参照比模量（弹性模量比密度）和比强度（材料的拉伸强度比密度）系数，可以明显看出其与金属材料在轻质高强方面表现出良好特性：碳纤维复合材料的比强度是铝合金材料之5 倍；比模量则是其它结构材料的1.312.3倍。（3）良好的抗疲劳特性。通常情况下，复合材料的抗疲劳性往往较金属材料高很多。已知道的金属材料的疲劳强度的极限的百分之40到百分之50，而碳纤维复合材料的疲劳强度的极限是上面的百分之70到百分之80，两组数据明显体现出，如碳纤维复合材料的机构长期处于交变载荷工作条件下，它的寿命必然高于金属材料的机构。（4）振性能好。受力构件的固有频率不仅与其几何尺寸、结构形状有关，还与其比模量的平方根成正比。上述的优点（2）里面已经分析得知，碳纤维复合材料的固有频率也高于金属材料。复合材料里面有许多的基体-纤维界面相，它具有强大的吸振能力。所以其拥有较高的抗振能力。查资料研究后，本文采用东丽公司的碳纤维材料里进行选择匹配，在产品表4.5里进行挑选。最后机架材料采用日本东丽的碳纤维T300-3000。它的参数如表4-5所示。表4-5 东丽碳纤维产品基本参数产品特征关键应用行业T1100G高强度高模量主要飞机结构，发射火箭，运动T1000G高强度和中等模量发射火箭,体育T800S高强度和中等模量主要飞机结构、运动T700S高强度和标准模量主要飞机结构，一般工业，体育T300标准模二级飞机结构，一般工业，体育表4-6 碳纤维材料基本参数产品编号长丝数抗拉强度（Mpa）抗拉强度（KGF/mm）2）拉伸模量（GPA）拉伸模量（KGF/mm）2）伸长率（）单位长度Tex（g/1000米）密度（克/厘米）3）T300-300030003530360230235001.51981.76四轴的机架一般是由上主板、下主板、电机的托架和力臂等组成。3.3主板的设计四轴飞行器的机架结构中，主板是有特殊意义的存在。它是与力臂喜欢连接，形成“X”型飞行器。它承受从螺旋桨给与的拉力，通过力臂传输过来。并且外载设备也是装在主板上的。同时飞控核心与电池也是安装在主板上。四轴飞行器的起落架也是安装在上面，主板通过它来接受来自落地时的冲击力。本文设计的四轴飞行器的上主板如图4.7所示，下主板如图4.8所示。主板是有着140*140mm的长宽尺度，厚度为6mm。 图4-7 上主板三维图 图4-8 下主板三维图3.4力臂的设计四轴飞行器的力臂是用于承载螺旋桨与电机的地方，流行的力臂形状有圆柱型与方型。圆柱型搭载电机是用外面的管来夹住的，这样会导致一旦惯性加多，这样的固定方式会产生松开的迹象，影响四轴飞行器的安全，造成不可挽回的损失。本文选择方型的力臂，方型固定电机是用了电机的底座与方型直接连接，之间用了螺栓连接固定，这样安全可靠，结构也简洁明了。本飞行器上面已经确定了轴距尺寸。轴距为600mm，主板尺寸为140mm。（3-2）式中 四轴飞行器的力臂尺寸（mm） 四轴飞行器的轴距尺寸（mm） 四轴飞行器的主板尺寸（mm）由公式可算出力臂长度应该取230mm。如图4-9所示。图4-9 力臂三维图3.5起落架的设计起落架对于四轴来说，它是四轴在起飞前与地面接触的地方，为了能让四轴平稳的起飞或者是落地。它是用于保护四轴飞行器，以便于保证四轴能够正常工作的保护伞。本文所设计的起落架是倒U字型。本文已经设计起落架的基础尺寸，如图4.10所示，它的长宽为197mm*158mm，它的厚度为16mm。它通过两根上支撑圆柱杆来装置用于完成任务的设施，两根下支撑圆柱杆来稳定起落架与四轴飞行器，上支撑杆的长度为160mm，截面为直径为5mm的圆，如图4.11所示。而下支撑杆的长度为240mm，截面为直径为5mm的圆，如图4.12所示。它们与两个起落架组合，形成一个完整的四轴飞行器用的起落架。考虑到与地面接触的两个下支撑杆的受力与平稳情况，在支撑杆上装有抗振装置。它的目的是为了吸收振动，减轻结构受到力的冲击，从而达到保护的作用。本文设计一个抗振的圆柱形空心套筒，它的横截面大圆的直径为7mm，横截面小圆的直径为5mm，长度为30mm，如图4.13所示。总共四个分别装在两个下支撑杆的两端，这样能够有效的达到抗振的要求，从而提高四轴飞行器的安全系数。这里的抗振空心套筒采用了丁基橡胶作为材料。丁基橡胶的优点：1.气密性好。2.耐热性，耐老性优良。3.吸振性能优秀，可作为高聚物吸吸振材料。4.对阳光和臭氧具有良好的抵抗性。综合本文设计的四轴飞行器所处的工作环境，丁基橡胶符合制作抗振空心套筒的要求。 图4-10 起落架三维图 图4-11 上支撑杆三维图 图4-12 下支撑杆三维图 图4-13 抗振套三维图3.6电机底座的设计电机底座顾名思义就是电机所在的底座，它是电机与力臂末端之间的连接件。它的基本尺寸为70mm*70mm，如图4-14所示。图4-14 电机底座三维图本文设计的四轴飞行器的机架部分，通过proe画出各部分零件的三维图，再通过proe进行组装，构成一个完整的机架，如图4.15所示。图4-15 机架三维建模图本章设计的四轴的整体机械结构部分，它的合理设计能够整成一个四轴的骨架，以便于其他的模块的安装，与承受各种扭矩。也是整个四轴的基础工程。4云台结构设计本文设计的四轴飞行器主要用于探测森林火情，装载了热成像设备，为了能够完成对火情全方面的跟踪与探测，摄像装置需要能够受操作者自由控制来调动拍摄方向，这样才能完成要求，所以本文要设计一种云台，能够让设备安装在上面，并且为设备提供拍摄范围。4.1云台结构的方案与选择方案1：球形云台。它是一种三脚架形式的结构，它是以球体为中心来用旋转杆来改变球体的位置变动，其位置变动先让其运动，确定方向后固定。它的操作性十分容易，但是它的载重能力并不出色，有点偏弱。它的调动范围一下子比较大，无法快速细微调制，并且球形中心这个部件易粘灰尘与细小颗粒，这样会造成球面运动会受到阻碍，并且会损坏。方案2：二轴云台，它是一种通过二个不同空间方向的固定件来改变摄像方向的，它最明显的就是载重能力优秀，这样便于携带高质量的设备，并且这种构件的微调能力优秀，可以准确的把握方向，做到细致的追踪。根据资料各方面比较，最终采用了方案1，传统的有固定式与电动式，由于本文设计的特殊要求，选择电动式的，这样就增大了设备的探测范围，提高设计的产品的效率与能力。所以本文设计了一种二轴式的云台机构，它能够垂直转动与水平转动。从而能够实现拍摄的自由与精确。它是二轴形式的，云台的转向方向为X与Z轴上的，动力来源通过电机，然后使用齿轮减速器，用它来调节转动的角度，X轴与齿轮连起来是通过轴承，为角接触。Z轴使用的轴承为滑动。4.2减速器设计4.2.1X轴上的减速器设计设计条件：i=4，n2max=20r/min，m=1mm。本文的云台减速器选择了单级圆柱齿轮的形式。本节的图表来自参考文献6。（1）类型选择：由于传动的载荷较低，采用了直齿式。（2）材料选择：小齿轮：40cr调质，硬度为217255；大齿轮：45钢调质，硬度为241286（3）精度确定：一般是8级，精切为7级，为了符合要求，这里为7级（4）齿数计算：Z1=18,Z2=18*i=18*4=721.齿根疲劳强度校核(4-1)(4-2)在公式1里面，；其中，取自表10-2；最大转速为0.33r/s，由图10-8可知由表10-3可知。取自表10-4，取自图10-13。最后求得：。，由表10-17与表10-18得知；其值根据图10-22来得知的。取自图10-24。(4-3)取最大的，为4.9MPa；取最小的，为272.8MPa。,它是满足要求的。mm，其满足了要求。2.齿面接触疲劳强度校核(4-4)(4-5)，取自表10-5。由图10-23得知。由图10-25里面得到。(4-6)取最小的为349.6MPa，其是可靠安全的。，它也是符合的。因为本文设计的垂直转动的范围为45，所以不需要采用圆形的大齿轮，从而可以考虑扇形齿轮，它的角度为12。4.2.2Z轴减速器设计设计条件：i=3.75，n2max=2r/min，m=1mm其减速器选择了单级圆柱齿轮的形式。（1）类型选择：由于传动的载荷较低，采用了直齿式。（2）材料选择：小齿轮：40cr调质，硬度为217255；大齿轮：45钢调质，硬度为241286（3）精度确定：一般是8级，精切为7级，为了符合要求，这里为7级（4）齿数计算:Z1=20,Z2=20*i=20*3.75=751.齿根疲劳强度校核依靠上节X轴计算过程一样，得；。根据公式（4-1）得：，取得上述的最大的为10.4MPa。其是符合安全标准的。根据公式（4-2）得：其是符合要求的。2.齿面接触疲劳强度校核根据公式（4-4)得：符合要求。根据公式（4-5)得：也符合要求。4.3轴的设计4.3.1X轴的设计X轴它是承受了转矩与弯曲力，因此只要进行弯扭组合的强度来算。所以它的强度为：初设承受的重量为1000g，,， 其是在强度承受之内的。4.3.2Z轴的设计Z轴是会有两个，上轴是轴向拉力的承受处，下轴是轴向拉伸与扭矩的承受处。上轴的强度条件：设承受的重量为40N， 其满足要求。下轴的轴向拉伸强度如上:设要承受的重量为30N，其满足要求。下轴承受的扭矩条件为：其满足要求。4.4轴承的选择4.4.1X轴轴承的选择因为轴是小型的，为了它能够快速有效的安装，这里采用了滑动轴承。这里将使用粘度等级为100的润滑油。4.4.2Z轴轴承的选择因为Z轴的需求，这里采用了角接触型的轴承。轴承与轴用了间隙配合来使用，通过螺母与垫片来固定。5控制系统设计四轴飞行器的核心就是控制系统，传统的有驾驶员驾驶的飞行器与它最大的不一样就在这个地方，四轴飞行器要能稳定的运行，还有对于搭载的设备的控制还有能够自己对于突发情况的对待解决这些主要功能。其中涵盖了飞控，无线数据传输，地面接收站这些大的系统，它们之间相辅相成，共同合作，以达到对四轴飞行器的飞行操作支配。它的模拟图如图5.1所示。图5-1 控制系统模拟图5.1飞控系统的设计飞控系统是四轴飞行器的核心，也是其大脑部位。飞控系统里包含了各种模块，有主控制的，传感器的，gps定位的和电源的等等这些东西。主体模块作用如下：1.通过不同的传感器了收集飞行器的飞行的数据，从而对数据科学推演计算管理，遥控装置与地面接收站传来的信号也被其接纳，从而通过这两种端口之间进行数据与控制命令的传输。2.主控制器会管理处置通过传感器得来的数据，处理完后会下达相对应的控制命令用于给执行部门，从而执行部门会做好相应的四轴飞行器的飞行状态的支配与操纵。3.操纵者与地面接收站会通过无线数据来实时得到四轴飞行器的飞行的各种数据与参数，这样才能让应用者对于四轴飞行器的实时工作状态得以了解与掌握。在四轴飞行器里面，飞行控制集成电路板的简化形式的名字是飞控板，上面已经说明主体模块的作用，飞控板还应该有其他的功能，例如本文四轴飞行器实现任务的云台搭载，这样需要选择一个优秀并且功能强大的市面上已经成熟的飞控板。经过仔细挑选，最终采用了大疆（DJI）公司的N3飞控板，如图5.2所示，它乃大疆生产的飞控比较好的东西，能够为飞行器提供许多的性能拓展，它是一个能够帮助飞行器拥有一个优秀强大的系统方案。N3飞控板包含主控器（内置双IMU、数据记录仪和气压计）、GNSS-Compass模块，电源管理模块（PMU）与LED模块。图5-2 N3飞控板主控器是飞控系统的中心，如图5.3所示，它可以实现了四轴飞行器的精确姿态控制和高精度的定位功能；它提供了多种接口支持DJI设备与SDK开发应用，如zenmuse系列ptz；使用了DJI助手为主机控制器配置了参数，包含了安装，其他外接设备的参数等等，并且通过了模拟器来模拟飞行；一旦与DJI的lightbridge2一同使用了，操作者还可以在移动的设备上使用DJI的goapp来进行了智能的飞行与远处的调节。主控器有以下特点：1.主控制器里面含有了2个独立自主的can主线接口与一个用于onboardsdk的api的串口，其中，CAN1用于连接GNSS-Compass模块和DJI设备，CAN2用于连接SDK设备。2.内置的imu与气压计决定了飞行的状态与高度，并且能够和gnss一起实现了四轴水平方向的定点来实现了飞行的控制。3.它跟许多的接收器都适用，跟自己的产品下的遥控器也完美的兼容，能够用上它们自己的go app软件的操控。4.M1-M8连了四轴的ESC,可以通过了iesc的端口来与dji的智能esc来进行通信。5.它的输出通道有了4个。并且I/O通道也是一样，可以连接其他设备使用。用户可进行自定义。图5-3 主控器GNSS-Compass模块它里面含有了两种模式的接收器与指南针，它不能够在有磁场效应的地方使用。如图5-4所示。图5-4 GNSS-Compass模块PMU模块它是为了整个飞控板的能量来源的前站同时也是保护者。如图5.5所示。图5-5 PMU模块LED模块LED模块涵盖了USB口与LED指示灯，如图5.6所示：图5-6 LED模块大疆N3飞控板的特点如下：它具有运动模式，机动性可调。断桨保护，动力保护，安装检测。优化定高性能。DJI最新的控制导航算法。内置双IMU冗余设计。全新内减震结构设计。“黑匣子”数据记录系统。支持高性能导航模块。丰富的大疆软件支撑。5.2无线数据传输路的设计四轴飞行器工作时需要与操作者和地面接收站实时联系，无线数据传输路就是它们之间的中间商，它在其中属于两者之间连接的道路。它也是任务能够顺利完成的关键点，四轴飞行器以它为介点来收到控制者发来的信号，再根据这个信号来完成自己要做的任务。紧接着四轴飞行器又会通过这个无线数据传输路来把自己的装备采集的数据传递回给控制者，同时包括了图像以及参数这些数据。这样便可以通过四轴飞行器对森林的现场火情进行实时探测，无线数据传输路的建立需要无线遥控器，无线数据传输电台以及其图像电台等等这些构件。本文查看资料，最终敲定了大疆Lightbridge2集成专业遥控器，如图5.7所示，它是个能在2.4ghz的频段里面工作的，它通过无线手段来完成图片与视频的传送、飞控发的信号和操作者的遥控信号。 Lightbridge2具有多种视频输出接口类型，支持在不同的监视器或移动设备上实时观看高清图像。地面端包含遥控器模块，支持多机互联模式，可分别控制飞行器和云台；并且预留多个按键，配合飞控调参软件可对相应通道进行自定义设置，以扩展使用功能。图5-7 Lightbridge2图Lightbridge2遥控器包含了天空端，如图5.8所示与地面端，如图5.9所示两种主要模块。 图5-8 天空端模块 图5-9 地面端模块Lightbridge2遥控器具有如下特点：广播级视频输出。高性能，低延迟。超远距离。可靠性高。多从机协作模式。GO APP的应用。兼容性高。双路视频输出。地面接收站系统的设计操作者需要先通过地面接收系统来先把森林范围规划起来，预定四轴飞行器飞行的航线，一旦发现火情，四轴飞行器能够第一时间赶到现场，进行任务的完成。地面系统可以把四轴飞行器的飞行数据等重要文件保存下来，以便于后期工作的总结与参考。电脑pc端，地面站所需要的软件和高清显示器，它们便能形成地面接收站系统。Pc端可以为一个普通的电脑，地面软件用大疆pc地面站专用软件，显示器也可以是普通的大屏液晶显示器。它们之间相互协作处理，这样地面指挥者便容易看清现场情况，和能够统一指挥，以完成对