四旋翼飞行器实验报告

1、实 验 报 告课程名称： 机械原理课内实验 学生姓名： 徐学腾 学生学号： 所在学院： 海洋信息工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 报导教师： 宫文峰 2016年 6 月 26 日实验一 四旋翼飞行器实验一、实验目的 1.通过对四旋翼无人机结构的分析，了解四旋翼无人机的基本结构、工作的原理和传动控制系统； 2. 练习采用手机控制终端来控制无人机飞行，并了解无人机飞行大赛的相关内容，及程序开发变为智能飞行无人机。二、实验设备和工具 1. Parrot公司AR.Drone 2.0四旋翼飞行器一架；2. 苹果手机一部；3. 蓝牙数据传输设备一套。4. 自备铅笔、橡皮、草稿纸。三、实验内容1、

2、了解四旋翼无人机的基本结构；2、了解四旋翼无人机的传动控制路线；3、掌握四旋翼无人机的飞行控制的基本操作；4、了解四旋翼无人机翻转动作的机理；5、能根据指令控制无人机完成特定操作。四、实验步骤1、学生自行用IPHONE手机下载并安装AR.FreeFlight四旋翼飞行器控制软件。2、检查飞行器结构是否完好无损；3、安装电沲并装好安全罩；4、连接WIFI，打开手机AR.FreeFlight软件，进入控制界面；5、软件启动，设备连通，即可飞行。6、启动和停止由TAKE OFF 控制。五、注意事项1.飞行器在同一时间只能由一部手机终端进行控制；2. 飞行之前，要检查螺旋浆处是否有障碍物干涉；3. 飞

3、行之后禁止用手去接飞行器，以免螺旋浆损伤手部；4. 电量不足时，不可强制启动飞行；5. 翻转特技飞行时，要注意飞行器距地面高度大于4米以上；6. 飞行器不得触水；7. 飞行器最大续航时间10分钟。六、实验相关问题1. 整理四旋翼飞行器的传动控制路线。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，对角线方向上的旋翼旋转方向相同，相邻旋翼旋转方向相对，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计算机和外部设备。控制航行姿态的依据就是航姿传感器输出的信号。航姿传感器至少包括倾角传感器和角

4、速度传感器。而倾角传感器可以利用三轴加速度传感器间接实现。既然是加速度传感器，那么它输出的信号表征的是当前三个轴向的加速度值，如果飞行器在空间中保持静止，那么加速度值通过简单的换算就可以得到真实的倾角参数。2. 总结四旋翼飞行器各种飞行状态的原理。垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿 z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。俯仰运动：电机 1的转速上升，电机 3 的转速下降

5、（改变量大小应相等），电机 2、电机 4 的转速保持不变。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕 y 轴旋转，同理，当电机 1 的转速下降，电机 3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。 滚转运动：改变电机 2和电机 4的转速，保持电机1和电机 3的转速不变，则可使机身绕 x 轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。 偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼

6、产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。当电机 1和电机 3 的转速上升，电机 2 和电机 4 的转速下降时，旋翼 1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、电机3的转向相反。 前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。增加电机 3转速，使拉力增大，相应减小电机 1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图 b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使

7、旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。 倾向运动：由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。3. 说明四旋翼飞行器自由度的情况？四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。4. 说明四旋翼飞行器垂直上升时，两组螺旋浆的转向情况，并说明为什么这样设计？四旋翼飞行器垂直上升时，两组螺旋浆的转向情况是对角线转向相同，相邻螺旋桨旋转方向相反，这样设计是为了保持平衡，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动。5. 飞行器动力传动中用了何种类型的齿轮机构，试计算传动比，另说明为

8、什么设计成无此大的传动比？传动比i12=z2/z1=64/8=8；因为小齿轮带动大齿轮，小齿轮转动数圈大齿轮才会转一圈，小齿轮速度慢、耗费功率，不过可以产生比较大的提升力矩使螺旋桨转速很快，如果是大齿轮带动小齿轮速度很快，不过力矩小飞行器基本飞不起来，可能还会损坏电机。七、实验总结对于飞行器或者航模之类的映像，是在高中时期，学校有航模小组，经常可以看到拿着航模的学生在进行试飞，当时心中感觉“航模”是非常有意思并且“高科技”。如今已经历高考进入大学，在学校的为我们安排的实验中，非常幸运的能了解四旋翼飞行器，关于四旋翼飞行器，在查阅了相关资料后，有了一定的了解。本次实验老师给我们讲了很多关于四旋翼飞行器的机构原理，运动方式，还有逻辑运算方法。并带领我们在室外亲自体验试用四旋翼飞行器，我十分兴奋的上前实验了一下，感