旋翼飛行器說明書要點

1、四旋翼飛行器設計說明書指導教師：第一組：CNC13- 1 班2013 年 12 月精品文檔目錄一、緒論 .21.1 引言 .21.2 四旋翼飛行器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.2二、設計要求與設計思想.32.1 設計要求 .32.2 設計思想 .3三、方案結(jié)構設計 .43.1 多軸轉(zhuǎn)化方面 .43.2動力學分析63.3 能耗分析 .8四、典型零件強度校核.84.1 起落架校核計算： .錯誤! 未定義書簽。4.2螺栓校核計算：9五、材料選取及加工工藝.95.1 材料選取 .105.2 加工工藝： .10六、總結(jié)與展望 .11七、參考文獻 .12。1歡迎1下載精品文檔一、緒論1.1 引言任何由人類制造、能飛離

2、地面、在空間飛行并由人來控制的飛行物，稱為飛行器。在大氣層內(nèi)飛行的飛行器稱為航空器，如氣球、滑翔機、飛艇、飛機、直升機等。他們靠空氣的靜浮力或空氣相對運動產(chǎn)生的空氣動力升空飛行。飛行器不僅廣泛應用于軍事，在民用領域的作用也在增加。機載 GPS和 MEMS慣性傳感器的飛行器甚至可以在沒有人為控制的室外環(huán)境中飛行， 因此國內(nèi)外對此進行了大量研究。對飛行器的研究目前主要包括固定翼、旋翼及撲翼式三種， 四旋翼飛行器在布局形式上屬于旋翼的一種， 相對于別的旋翼式飛行器來說四旋翼飛行器結(jié)構緊湊。四旋翼飛行器能夠垂直起降， 不需要滑跑可以起飛和著陸， 從而不需要專門的機場和跑道，降低了使用成本，可以分散配置

3、，便于偽裝，對敵進行突襲和偵察。四旋翼飛行器能夠自由懸停和垂直起降， 結(jié)構簡單，易于控制， 這些優(yōu)勢決定了其具有廣泛的應用領域， 不但具有一般戰(zhàn)場需要的各種作戰(zhàn)功能， 比如偵查監(jiān)視，為其他作戰(zhàn)武器知識目標等， 甚至可以作為投放武器的載體。 目前國外四旋翼飛行器的研究蓬勃發(fā)展，美國、 日本、德國等均具有此類研究項目且技術較為成熟。1.2四旋翼飛行器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀四旋翼飛行器的設計有兩個階段， 在第一個階段即 20 世紀初，法國科學家和院士 Charles Richet 制造了一個小型無人直升機，雖然該機不是很成功，但是啟發(fā)了他的一個學生 Louis Breguet ，1906 年下半年在 Ri

4、chet 教授的指導下做完了他們自行設計的直升機實驗。 1907 年，Breguet 兄弟制作了他們第一個載人四旋翼飛行器，首次試飛載人飛行高度 1.5 米。雖然穩(wěn)定性很差， 但是當時飛行器只是處于起步階段， Breguet 兄弟在實現(xiàn)垂直飛行方面已取得了顯著的成就。20 世紀 20 年代初， George de Bothezat 為美國陸軍航空勤務部制作一個實驗性四旋翼直升機， 其巨大的六槳葉旋翼能夠使飛行器飛行成功，但是該飛行器。2歡迎2下載精品文檔非常復雜、難于控制、 需要飛行員很大的工作量， 僅僅在順風的情況下才能向前飛行，最終在 1924 年，美國軍隊取消了該四旋翼飛行器的研制。這一

5、階段設計出了載人四旋翼飛機，這是第一批成功的可垂直起降的飛行器。然而，早起原型機表現(xiàn)欠佳，后來穩(wěn)定性較差，實用性和操控性低，所以載人四旋翼飛行器的發(fā)展幾乎停滯。第二階段即從 21 世紀初開始到現(xiàn)在，四旋翼飛行器的動力能源采用電能，逐漸被各國所接受，主要是無人機，廣泛應用于軍事、商業(yè)和工業(yè)領域。無人機主要包括兩大類： 固定翼無人機和旋翼無人機。 旋翼無人機在許多方面要優(yōu)于固定翼飛行器，具有更高的自由度、低速飛行的能力、懸停、室內(nèi)應用等。四旋翼飛行器作為一種具有獨特飛行性能的無人機， 正越來越受到人們的重視， 迅速成為國際上新的研究熱點。由于市場上四旋翼飛行器的定位于專業(yè)高端航拍人群， 且制造成本

6、過高， 搭載拍攝裝置單一， 本設計主要對四旋翼飛行器的整體結(jié)構格局方面， 成本管控方面以及靈活轉(zhuǎn)換拍攝裝置方面進行探索， 使本四旋翼飛行器具有低成本、 大眾化、穩(wěn)定可靠性強等特點。二、設計要求與設計思想2.1 設計要求1. 飛行器采用四個旋翼作為飛行的直接動力源；2. 具備自主起飛和著陸能力；3. 中心架可以 3、4、6、12 軸通用；4. 能夠以各種角度進行飛行與拍攝；5. 飛控板、電池、電調(diào)和馬達的配合合理；6. 整體設計要美觀、輕便。2.2 設計思想四旋翼飛行器采用四個旋翼作為飛行的直接動力源， 旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向， 四個旋翼處于同一高度平面， 且四個旋翼的結(jié)構和半徑

7、都。3歡迎3下載精品文檔相同，旋翼 1 和旋翼 3 順時針旋轉(zhuǎn)，旋翼2 和旋翼 4 逆時針旋轉(zhuǎn)，以保證飛行平穩(wěn)，四個電機對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制板和外部設備 4 。從以下幾點出發(fā)：1 ）飛行器中心架的設計，要保證強度要求及整體結(jié)構（碳纖維桿安裝、調(diào)控板安裝、電池安裝、起落架安裝）的同時越輕越好。2 ）飛行器啟動設計。電機最大工作電流和電池最大供電電流相匹配，飛機起飛重量與電機拉力相匹配， 且保證電機最大功率時的輸出電流 電調(diào)最大電流 71.397N, 因此起落架滿足強度要求。圖4 起落架4.2 螺栓校核計算：為保證電機的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，螺栓的連接強度要滿足抗剪強度與抗壓強

8、度。10R為扭矩 =R為力矩d 2m/ 4d 為螺栓直徑由 公 式 得 出 抗 剪 強 度 =4.35MPa 查 表 螺 栓 的 p 為 284MPa 得 出R為扭矩 =R為力矩P 滿足強度要求。m d2/ 4d為螺栓直徑連接件孔壁與螺栓光桿的抗壓強度：。9歡迎9下載精品文檔R 為接觸厚度p=d d為螺栓直徑由公式得出抗壓強度p 為 6.148MPa 查表螺栓的PP 為 284MPa 得出p =R為接觸厚度PP 滿足強度要求。d為螺栓直徑d五、材料選取及加工工藝5.1 材料選取本次方案中大部分零件采用3D 打印機加工，為保證加工零件尺寸穩(wěn)定、表面光澤好、易于進一步加工，因此打印材料的選擇主要考

9、慮成型性能與物理性能，下面為三種材料性能的對比7 ：塑料種類成型性能物理性能ABS成型性能中等、收縮率小、冷沖擊強度高、 機械加工性能中卻速度快、流動性能好等、化學穩(wěn)定性PP能行性能較好、耐熱性差、易耐老化、耐沖擊、電絕緣性能變性、相比最輕好、易燃韌性差PLA成型性能中等、較輕不易變沖擊強度高、穩(wěn)定性好、機械形、冷卻速度快、收縮率小加工較好、韌性好、易降解根據(jù)三種材料的對比， PLA塑料在成型方面與后期機械加工和穩(wěn)定性方面都比較好，而且PLA 塑料易于降解不會造成污染，因此本次設計的零件的材料以PLA塑料為主。5.2 加工工藝：飛行器加工件主要以中心架與起落架和航拍裝置為主，材料主要以 PLA

10、塑料為主采用 3D 打印機加工， PLA 塑料抗沖擊性、耐熱性、耐低溫型、耐化學藥品性及電氣性能好，還具有易加工、制品尺寸穩(wěn)定、表面光澤好等特點，但是由于PLA塑料的拉伸率較差，因此設計時要考慮厚度，加工肋板以保證強度耐沖擊。10歡10迎下載精品文檔加工過程中要考慮3D 打印機的行程，不能超過其打印行程；加工過程中對于零件的圓角與凸臺要進行構造輔助支撐絲保證加工的質(zhì)量防止變形；加工過程中要根據(jù)零件強度的要求確定堆疊的層數(shù)，以保證加工零件外形尺寸與強度要求滿足設計要求。六、總結(jié)與展望本文以四旋翼飛行器為研究對象，主要研究了飛行器的主體結(jié)構、飛行動力轉(zhuǎn)換與各部件的強度要求， 以滿足飛行器在航拍過程

11、中的各種要求， 達到良好的航拍效果。本文的研究工作主要設計并搭建了四旋翼飛行器的硬件系統(tǒng)，建立了飛行器的相關數(shù)字模型。 針對自行設計的四旋翼飛行器進行了動力學分析、 能耗分析、嘗試多軸多機翼模型的搭建，能夠?qū)崿F(xiàn)飛行器的穩(wěn)定航拍效果。本文是在四旋翼飛行器控制技術領域的一個基礎性探索研究，由于本人是首次接觸四旋翼飛行器， 在前期的積累為零， 雖在導師的指導下克服了非常多的困難，取得了一定的進展。但就其深度而言，還尚顯膚淺，尤其在自主飛行控制方面還處于探索階段， 因此本文在很多方面還有待于進一步的探索和完善主要包括以下幾個方面：1 ）無 GPS導航、視覺和通信等系統(tǒng)；2 ）利用 GPS進行導航并按預

12、先設定路線飛行的能力、 信息傳輸能力和任意姿態(tài)飛行的能力將進一步健全和完善， 自主飛行是該技術發(fā)展的一個重要方向， 將在預定航線飛行等方面發(fā)揮重要作用。 使其具有自主起降和全天候抗干擾穩(wěn)定飛行能力。11歡11迎下載精品文檔七、參考文獻1 同濟大學數(shù)學系 . 高等數(shù)學 M. 北京：高等教育出版社， 2007.2 何銘新，錢可強 . 機械制圖 . 第五版 M. 北京：高等教育出社， 1993.3 梁正強 . 機械零件設計計算實例 M. 北京：中國鐵道出版社出版， 1989.4 劉曹茹，吳志軍，高政一，等 . 機械制圖 M. 北京：高等教育出版社 ,2000.5 劉品 . 機械精度設計與檢測基礎 M. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社， 2009.6 羅圣國，龔溎義 . 機械設計課程設計指導書 M. 北京：高等教育出版社， 1990.7 席慧智，谷萬里，高玉芳 . 機械工