【《四旋翼无人机的总体方案设计案例》3200字】

四旋翼无人机的总体方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u29007四旋翼无人机的总体方案设计案例 1215861.1理论基础 1272021.2动力系统 346051.1.1电机 3109701.1.2螺旋桨 425691.1.3电调 485361.1.4电池 5261841.3传感器 5149911.4图像传输 6187851.5航拍无人机的总体结构 61.1理论基础四旋翼无人机结构结构可细分为为“十”字型和“X”型两种，其判断方法为根据飞行方向与其中同一直线方向的机臂之间的夹角，若飞行方向与同一直线方向的机臂重合，则为“十”字型四旋翼无人机；若飞行方向与同一直线方向的机臂夹角为45度，则为“X”型四旋翼无人机，如图1.1.1所示。图1.1“十”字型（左）、“X”型（右）（箭头方向为机头方向）其中以“X”型四旋翼使用较为广泛，动作更加灵活，稳定性更高[13]，因此本文选用“X”型四旋翼作为航拍无人机的机体构型。四旋翼无人机的四个机臂以圆周均匀分布，处于同一水平高度，每个机臂之间夹角为90度，且每个机臂上均设有无刷电机提供以升力，其中机臂处于同一直线上的无刷电机旋转方向为同一方向，相邻的无刷电机旋转方向相反。由于四旋翼无人机的独特结构和电机布置，使得四旋翼无人机省去了反扭矩桨，进而使得结构更加简单、可靠。如图1.1.2四旋翼无人机各电机旋转方向示意图所示，设航拍无人机的四个无刷电机依次为M1、M2、M3、M4，各无刷电机转速依次为n1、n2、n3、n4，由于四旋翼无人机同一直线方向上的无刷电机旋转方向相同，相邻的无刷电机方向相反，即电机M1和电机M3的旋转方向相同，同为顺时针方向旋转；电机M2和电机M4的旋转方向相同，同为逆时针方向旋转，由于相邻电机的旋转方向相反，则可抵消单个电机旋转时所产生的反扭矩。通过调节电机M1、M2、M3、M4的转速n1、n2、n3、n4，从而实现改变无人机的受力状况，进而达到控制无人机的飞行状态。图1.2四旋翼无人机各电机旋转方向示意图（1）垂直运动：需要无人机实现垂直方向上的运动则需无人机受到垂直方向上的力，同时增加或减小电机M1、M2、M3、M4的转速n1、n2、n3、n4，则能改变四个电机所提供的总升力（拉力），当总升力（拉力）大于无人机整体所受重力时，无人机实现垂直方向上的上升；当当总升力（拉力）小于无人机整体所受重力时，无人机实现垂直方向上的下降。（2）俯仰运动：若需无人机实现俯仰运动，则需无人机的四个电机两两组合改变转速。增加电机M3、M4的转速n3、n4，或者减小电机M1、M2的转速n1、n2，则能实现无人机上仰；反之，增加电机M1、M2的转速n1、n2，或者减小电机M3、M4的转速n3、n4，则能实现无人机下俯。（3）前后运动：前后运动的原理与俯仰运动的原理相同，前后运动是在俯仰运动的基础上完成，当无人机发生俯仰运动时，无人机机体倾斜，电机所提供的的升力（拉力）在水平方向上产生一个分力，这个分力带动无人机做前后方向上的运动。（4）滚转运动：无人机要完成滚转运动需改变四个电机中其中两个电机的转速。增加电机M1、M4的转速n1、n4，或者减小电机M2、M3的转速n2、n3，则能实现无人机向左翻滚；反之，增加电机M2、M3的转速n2、n3，或者减小电机M1、M4的转速n1、n4，则能实现无人机向右翻滚。（5）偏航运动：如果需要无人机实现向左或者向右转向的偏航运动，则需要改变无人机同一直线方向上电机的转速。若增加电机M1、M3的转速n1、n3，或者减小电机M2、M4的转速n2、n4，无人机则能利用反扭矩完成向左转向的偏航运动；若增加电机M2、M4的转速n2、n4，或者减小电机M1、M3的转速n1、n3，无人机则能完成向右转向的偏航运动[14]。1.2动力系统动力系统是航拍无人机的动力源，为航拍无人机提供工作时所需的动力。本设计中的航拍无人机动力系统包含了电机、电调、电池、螺旋桨四个部分。1.1.1电机四旋翼无人机所使用的电机可分为有刷电机和无刷电机两大类，其中由于无刷电机的性能更加优异，因此目前四旋翼无人机的电机主流为无刷电机。本文所述航拍无人机选择无刷电机作为动力源。无刷电机型号又四位数字组成，其中前两位数字代表该电机定子的直径，后两位数字代表该电机定子的高度，如2212无刷电机，表示该无刷电机的定子直径为22mm，高度为12mm。电机KV值作为一个性能参数来表示转速/V，即表示无刷电机输入电压每增加1V时，无刷电机空转转速增加多少[15]，如1000KV表示，对无刷电机的输入电压每增加1V，该无刷电机的空转转速增加1000转。本文所述航拍无人机参考选用2216-KV800无刷电机作为动力源提供动力。图1.3朗宇2216-KV800无刷电机1.1.2螺旋桨螺旋桨将安装于无刷电机转轴上，由无刷电机转动，带动螺旋桨旋转，进而产生拉力（升力），无人机螺旋桨型号同样是由四位数字组成，其中前两位数字代表螺旋桨直径，后两位数字代表螺距，如6026螺旋桨，表示该螺旋桨是直径为6英寸，螺距为1.6英寸的螺旋桨。四旋翼无人机螺旋桨有正反桨之分，由于四旋翼航拍无人机的四个无刷电机转轴的旋转方向两两不同，因此螺旋桨也不同，通常将顺时针旋转的螺旋桨叫正桨，逆时针旋转的螺旋桨叫反桨，安装时，两个正桨安装在机臂处于同一条直线方向上的无刷电机之上，两个反桨安装于其余两个无刷电机上。本文所述航拍无人机参考选用1047正反桨。图1.4APC1047正反桨1.1.3电调电调的全称为电子调速器，其作用是能够根据飞控所发出的控制信号对无刷电机的转速进行控制调节，有的电调还带有欠压保护、过压保护等保护功能，能够保护电池和无刷电机，延长电池和无刷电机的使用寿命。本文所述航拍无人机参考选用40A电调[16]。图1.5好盈XRotor40A电调1.1.4电池电池为整个无人机提供电源，电池的选取在很大程度上影响无人机的续航能力。目前的航拍无人机基本上都选择无人机用航模锂电池，该电池属于锂离子聚合物电池，相比于其他电池，航模锂电池能量密度更高，重量更轻，无记忆特性，能够反复充放电，这些特点都很好的迎合了航拍无人机的设计要求，因此综合考虑，本文所述航拍无人机参考选用4S4000mAh25C，该锂电池有4个锂电芯，容量为4000mAH，放电倍率为25C，电压为14.8V。图1.6格氏ACE4S4000mAh25C航模电池1.3传感器航拍无人机在空中飞行时，无人机的飞行姿态是一个动态的过程，也就是说无人机的飞行状态是在不断改变的，因此需要借助一些传感器来协助调节航拍无人机的工作状态，通过各种传感器不断地对航拍无人机机体状态的感知，发出信号给飞行控制板（简称飞控），飞控对航拍无人机的飞行状态做出调整，整个过程十分短暂。综上所述，航拍无人机需要陀螺仪传感器、加速度计传感器、GPS、电子罗盘，由这些传感器共同作用，再由飞控对航拍无人机飞行姿态进行调整。在本文所述航拍无人机电机座中还需安装超声波传感器。在航拍无人机工作过程中，由于其飞行环境很可能会随时发生巨大的变化，航拍无人机飞手未察觉时，会使航拍无人机发生意外，因此需在电机座中安装超声波传感器，通过传感器对航拍无人机周围环境监测，以此来提升航拍无人机的避障能力。1.4图像传输由于本文所述无人机作为航拍用，因此需在无人机上安装图像传输模块。航拍无人机上设有图传天线，为保证航拍质量，本设计的航拍无人机采用5.8G频率的数字信号进行图像传输[17]，该频率的数字信号抗干扰能力较强，能够保证航拍质量。本文所述航拍无人机遥控系统采用1.4G频率的信号进行遥控，避免与图传信号相互干扰。1.5航拍无人机的总体结构根据前文所述，本文所设计的航拍无人机总体结构采用四旋翼无人机结构，机臂围绕主机架沿圆周方向均匀布置，每个机臂上均设有无刷电机，且航拍无人机整体结构布置为“X”型。航拍无人机整体材料大多采用复合材料，在保证航拍无人机整体结构强度的同时，尽量减轻了无人机的重量，有利于无人机的轻量化[18]。航拍无人机轴距为573.85mm，整体高度为321mm，无人机主机架最大离地间隙为271mm，云台离地间隙为165.3mm。航拍无人机的支撑脚架不在