四軸飛行器結構設計及控制分析

摘要 

四軸飛行器，又稱四旋翼飛行器、四旋翼直升機，簡稱四軸、四旋翼。這四軸飛行器是一種多旋翼飛行器。四軸飛行器的四個螺旋槳都是電機直連的簡單機構，十字形的布局允許飛行器通過改變電機轉速獲得旋轉機身的力，從而調整自身姿態。

該設計主要利用已有的相關技術，初步研究和設計四軸飛行器的飛行控制系統，并制作出1:1等比例模型。四軸飛行器采用四個旋翼，其飛行方式與直升機相比有較大的區別，可通過調節四個旋翼之間的速度來實現飛行姿態的切換，并以此來控制飛行速度。如此一來就不需要繁雜的槳矩控制部件，同時四個旋翼可以共享電路控制板以及電池等，簡化了飛行器的結構，降低了能源的消耗。具有較高的研究價值和使用價值，可用于偵查監視、通信中繼等。

本文圍繞四軸飛行器進行了初步的分析和設計。首先在結構上對四軸飛行器進行了結構上的設計與加深，緊接著對四軸飛行器的空氣動力學特性與四軸飛行器飛行姿態控制的力學原理進行了研究和分析，最后對四軸飛行器的控制系統和控制率進行了設計和分析。

關鍵詞：四軸飛行器；飛行控制系統；旋翼；穩定架；應急裝置

ABSTRACT

Quadrocopter, also known a....

Key words：Quadrocopter；Flight Control System；Rotor；Stable frame；Emergency equipment

目    錄

概述………………………………………………………………… 1

前言…………………………………………………………………………1

四軸飛行器發展歷史………………………………………………………1

飛行控制系統簡介…………………………………………………………4

本論文主要研究問題………………………………………………………5

本章小結……………………………………………………………………6

四軸飛行器結構設計……………………………………………7

2.1總體結構設計方案…………………………………………………………7

2.2攝像機架設計方案…………………………………………………………8

2.3應急降落裝置設計方案……………………………………………………9

2.4本章小結 …………………………………………………………………11

四軸飛行器零件設計……………………………………………12

3.1機架零件設計 ……………………………………………………………12

3.2攝像機穩定座零件設計 …………………………………………………12

3.3應急降落裝置零件設計 …………………………………………………12

3.4本章小結 …………………………………………………………………19

四軸飛行器力學分析……………………………………………20

4.1坐標系的建立 ……………………………………………………………20

4.2單個旋翼產生的力與力矩 ………………………………………………21

4.3機身所產生的力與力矩 …………………………………………………24

4.4飛行器所受合力與合力矩……………………………………………… 25

4.5 本章小結…………………………………………………………………25

四軸飛行器控制原理…………………………………………26

5.1四軸飛行器姿態控制原理 ………………………………………………26

5.2四軸飛行器姿態與升力的關系…………………………………………28

5.3本章小結…………………………………………………………………30

四軸飛行器控制實現……………………………………………………31

6.1控制律設計 ………………………………………………………………31

6.2總體設計 …………………………………………………………………35

6.3飛行控制板的選用 ………………………………………………………36

6.4 電機驅動模塊的設計……………………………………………………38

6.5 遙控裝置的選用…………………………………………………………38

6.6 電源裝置的設計…………………………………………………………38

本章小結 …………………………………………………………………41

設計體會   …………………………………………………………………………………42

參考文獻 ………………………………………………………………………44

致       謝………………………………………………………………………  45