可伸缩折叠式四旋翼飞行器设计

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２］器研发的ＫＫ四旋翼飞控［、采用ＡＴＭＥＧＡ３２８Ｐ处
翼飞行器通过调节四个电机转速大小来改变四个旋翼的升力大小，以此控制飞行器的姿态和位置。
理器研制的ＭＷＣ四旋翼飞控以及国内比较高端的ＮＡＺＡ飞控等，都可以实现四旋翼无人飞行器的起飞、定高定点悬停、巡航、航拍等功能。四旋翼无人飞行器结构外形的发展却较为缓慢，这在一定程度上制约了四旋翼无人飞行器应用领域的推广。笔者根据四旋翼无人飞行器结构特点和飞行原理的分析，设计出具有空中自动伸缩、着陆后手动折叠功能的四旋翼机体。通过对机体结构受力分析、合理选材并进行强度校核，保证了机体结构合理、可以实现预期功能，最后通过三维建模、模型制作和飞行试验验证了该可伸缩折叠型四旋翼机体的可行性。（１）垂直运动：保持四个电机转速相同，使四个旋翼总升力与机体重力平衡，四旋翼飞行器处于悬停状态；四个电机同时增加（减少）相同当量的转速，使四个旋翼总升力增加（减少），四旋翼飞行器沿ｚ轴上升（下降）。（２）偏航运动：同时增加（减少）电机１、３的转
电机反转使四根内伸缩杆同时外பைடு நூலகம்。伸缩结构具体。设计尺寸见表１
对伸缩的影响），其中结构受力关键部件主要包括方如图管剖面１和剖面２处强度和剖面２的扰度计算（６）。假设中央桨盘与四根外伸缩杆固定连接，视为刚体，内外伸缩杆均为固定端约束。各内伸缩杆受到旋翼的提供的升力和旋翼的反扭矩作用。旋翼反扭矩对内伸缩杆施加水平方向弯矩，
摘要：针对四旋翼飞行器的结构外形不便于随身携带的特点，进行了优化设计。通过分析四旋翼飞行器结构特点和飞行原理，设计出可自动伸缩、折叠的四旋翼飞行器平台，并进行强度校核，最后进行了三维仿真建模与模型制作和试验测试。结果表明设计的四旋翼无人飞行器实现了空中自动伸缩、着陆后手动折叠的功能，同时节省携带空间，达到了良好的效果。关键词：折叠结构；伸缩结构；四旋翼飞行器；强度校核中图分类号：ＴＨ１６文献标志码：Ａ文章编号：１００７－４４１４（２０１５）０２－０１２１－０４

（６）
旋翼在高速运转时受陀螺效应的影响会产生陀
Ｌ＝ × Ｊ ω ω ０

（７）

式中“ ω为旋翼绕自身回转轴的自转角速度矢量， ω 为机体绕通过质心的三条轴线转动的角速度矢量。悬停飞行时，整机仅受旋翼的升力和不平衡反扭
图２四旋翼飞行器坐标系
矩作用。在垂直飞行时，机体绕三轴的角速度非常小，则相应的陀螺力矩也非常小，另外，相邻两个旋翼旋转方向相反，其上产生的陀螺力矩可以相互制约一部分，综合上述因素，在分析整机受力时，净陀螺力矩相对于其它力和力矩可忽略不计。因此在下文中，陀螺力矩对整机产生影响被忽略。（１）
式中：Ｓ表示角度 Φ 的正弦值；Ｃ表示角度 Φ 的余弦值。对单个旋翼，需要考虑旋翼升力、陀螺仪力矩、旋翼反扭矩和机体总重力。单个旋翼的动力学分析如图３所示。旋翼升力Ｔ、旋翼反扭矩 τ 与旋翼转速 ω对应关 ·１２２ ·
·机械研究与应用· ２设计与制造０１５年第２期（第２８卷，总第１３６期）
（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅＦｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＨｅｆｅｉＡｎｈｕｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｆｏｒｑｕａｄｒｏｔｏｒａｉｒｃｒａｆｔｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄｉｎｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｆｏｒｉｔｓｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｈａｐｅｉｓａｗｋｗａｒｄｔｏｃａｒｒｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｆｌｉｇｈｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ａｑｕａｄｒｏｔｏｒａｉｒｃｒａｆｔｐｌａｔｆｏｒｍｔｈａｔｃｏｕｌｄａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｒｅｔｒａｃｔａｎｄｆｏｌｄｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄｉｔｓｓｔｒｅｎｇｔｈｉｓｔｈｅｎｃｈｅｃｋｅｄ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙ３Ｄｍｏｄｅｌｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅｓｔｓａｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｑｕａｄｒｏｔｏｒａｉｒｃｒａｆｔｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙａｃｈｉｅｖｅｓａｕｔｏｍａｔｉｃｒｅｔｒａｃｔａｂｌｅａｎｄｍａｎｕａｌｆｏｌｄｉｎｇ，ａｎｄｍｅａｎｗｈｉｌｅｃｏｕｌｄｓａｖｅｔｈｅｃａｒｒｙｉｎｇｓｐａｃｅ，ｔｈｕｓｉｔｇｅｔｓｇｏｏｄｅｆｆｅｃｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｏｌｄｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｑｕａｄｒｏｔｏｒａｉｒｃｒａｆｔ；ｓｔｒｅｎｇｔｈｃｈｅｃｋ
行控制系统控制异步电机正转，带动单个圆锥齿轮转动，通过齿轮传导带动四个一组圆锥齿轮转动，使四根螺杆转动，四根内伸缩杆同时向内收缩，同理，异步
表１伸缩结构具体尺寸表
名称规格名称规格螺杆Ｍ６ × ２００ｍｍ内伸缩杆１２ × １２ × １（ｍｍ）圆锥齿轮Ｍ＝１外伸缩杆１５ × １５ × ０．５（ｍｍ）圆柱滚子轴承 Φ６异步电机１ｒ／ｓｅｃ固定螺母Ｍ６
（４）
（５） τ＝Ｋ ω τ 式中：Ｋ、Ｋ分别为旋翼升力比例常数和旋翼反扭矩Ｔ τ 比例常数。
图３单个旋翼受力分析图
始状态时，机体坐标系与地面坐标系原点重合。由于四旋翼飞行器具有结构对称性，假设机体中心与形心重合，则同一侧单个旋翼到质心的距离是相同的，设为ｌ，单个机翼对整个机身质心的转矩为：Ｍ＝Ｔ ·ｌ螺力矩，该扭矩可以表示为：
０引言
四旋翼无人飞行器只需改变四个电机的转速即可实现飞行器的飞行姿态控制，机动灵活
［１］
１四旋翼飞行器飞行原理及力学分析
１．１飞行原理
３］如图１所示为四旋翼无人飞行器俯视图［，四旋
。同时
四旋翼飞行器具有较高的操控性能，可以在小范围内起飞，悬停，接近目标，具有良好的军事侦察、搜索救援性能。但四旋翼无人飞行器结构外形复杂，不便携带，限制了其在特种侦察，搜索救援等领域的应用。国内外有关四旋翼无人飞行器的研究方向主要倾向于其飞行控制系统的研究，近年来四旋翼控制系统发展已较为成熟，例如：使用ＡＴＭＥＬ公司的八位处理
·机械研究与应用· ２设计与制造０１５年第２期（第２８卷，总第１３６期）

可伸缩折叠式四旋翼飞行器设计
李波陈，王红州，刘晓栋，徐兴国，李彦锐
（合肥工业大学机械与汽车工程学院飞行器制造工程系，安徽合肥２３０００９）
２伸缩折叠结构设计与强度校核
２．１伸缩结构设计如图４所示，四旋翼飞行器伸缩机构由螺杆、圆锥齿轮、异步电机、圆柱滚子轴承、固定螺母及内、外伸缩杆构成。单个圆锥齿轮与电机输出轴相连，四个一组圆锥齿轮分别和四根螺杆相连，螺母固定在内伸缩杆里端，圆柱滚子轴承固定在外伸缩杆里端，保持内外伸缩杆沿直线传动。遥控器发射伸缩指令，由飞
图１四旋翼飞行器的结构俯视图
２０１５－０３－１２收稿日期：基金项目：合肥工业大学２０１３年国家级大学生创新训练计划项目（编号：２０１３１０３５９００１）作者简介：李波陈（１９９４－），男，安徽宿州人，主要从事飞行器制造与结构设计方面的工作。
４－５］建立如图２所示地面坐标系和机体坐标系［，
系如下：１２２Ｔ＝ ρ ＡＣＲ ω ｒ２１２２ＡＲ τ＝Ｃ ρ ω ２ τ （２）（３）
上式中除 ω外，其余参数均为常数，则旋翼转速之间关系可简化为：和升力Ｔ及旋翼反扭矩 τ
２Ｔ＝Ｋ ω Ｔ２
ＤｅｓｉｇｎｆｏｒｔｈｅＳｃａｌａｂｌｅＦｏｌｄｉｎｇＱｕａｄＲｏｔｏｒＡｉｒｃｒａｆｔＬＩＢｏ－ｃｈｅｎ，ＷＡＮＧＨｏｎｇ－ｚｈｏｕ，ＬＩＵＸｉａｏ－ｄｏｎｇ，ＸＵＸｉｎｇ－ｇｕｏ，ＬＩＹａｎ－ｒｕｉ

电子设计大赛四旋翼设计报告最终版

四旋翼飞行器〔A 题〕参赛队号：20140057号四旋翼飞行器设计摘要：四旋翼作为一种具有构造特殊的旋转翼无人飞行器，与固定翼无人机相比，它具有体积小，垂直起降，具有很强的机动性，负载能力强，能快速、灵活的在各个方向进展机动，构造简单，易于控制，且能执行各种特殊、危险任务等特点。

因此在军用和民用领域具有广泛的应用前景如低空侦察、灾害现场监视与救援等。

多旋翼无人机飞行原理上比拟简单，但涉及的科技领域比拟广，从机体的优化设计、传感器算法、软件及控制系统的设计都需要高科技的支持。

四旋翼无人机的飞行控制技术是无人机研究的重点之一。

它使用直接力矩，实现六自由度〔位置与姿态〕控制，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性。

此外，由于飞行过程中，微型飞行器同时受到多种物理效应的作用，还很容易受到气流等外部环境的干扰，模型准确性和传感器精度也将对控制器性能产生影响，这些都使得飞行控制系统的设计变得非常困难。

因此，研究既能准确控制飞行姿态，又具有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制器是微小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急。

一、引言：1.1 题目理解：四旋翼飞行器，顾名思义，其四只旋转的翅膀为飞行的动力来源。

四只旋转翼是无刷电机，因此对于无刷电机的控制调速系统对飞行器的飞行性能起着决定性的作用。

在本次大赛中，需要利用四旋翼飞行器平台，实现四旋翼的起飞，悬停，姿态控制，以及四旋翼和地面之间的测距等功能。

以往做的核心板较大，所需的电路较多，考虑到四轴飞行器的轻便，故而不太是一个很理想的选择。

方案二：主控板使用STM32。

STM32板子的I/O口很多，自带定时器和多路PWM，可以实现的功能较多，符合实验要求。

Stm32迷你板在体积和重量上也不是很大，对飞机的载重量要求不是很高。

综上所述，我们一致决定使用STM32 MMC10作为此次大学生电子竞赛的主控板。

2.2 飞行姿态的方案论证：方案一：十字飞行方式。

四轴的四个电机以十字的方式排列，*轴和y轴成直角，调整俯仰角和翻滚角的时候分开调整，角度融合简单，适合初学者，能明确头尾，飞行时机体动作精准，飞控起来也容易。

小型四旋翼低空无人飞行器综合设计

是实现遥控设备与飞行器之间通信的关键。在选择无线传输品牌和型号时，需要考虑传输距离、信号稳定性、安全性等因素。同时，对于某些特殊场景，还需要考虑防水、抗震等特殊性能。
3、传感器应用
传感器技术在小型四旋翼低空无人飞行器中扮演着重要的角色。通过使用多种传感器，可以实现飞行器的定位、导航、控制等功能。为了保证数据的准确性和可靠性，需要对传感器进行定期校准和维护。
实验结果与分析
通过仿真实验，本次演示提出的混合控制方法取得了显著的实验效果。在轨迹跟踪实验中，飞行器能够快速准确地跟踪给定的轨迹，具有良好的动态性能和稳定性。此外，通过与单一控制方法的对比实验，本次演示提出的混合控制方法在跟踪精度和稳定性方面均表现出明显的优势。
结论与展望
本次演示针对四旋翼无人飞行器的非线性控制问题，提出了一种基于鲁棒控制和滑模控制的混合控制方法。通过仿真实验验证了该方法的有效性。然而，仍然存在一些不足之处，例如对飞行器的动态特性分析不够准确、控制系统的实时性有待提高等。
设计思路
1、总体设计
小型四旋翼低空无人飞行器主要由机身、旋翼、遥控器等部分组成。机身采用轻量化材料制成，以减小飞行器的重量，便于携带；旋翼则由四个电机驱动，以实现飞行器的稳定飞行；遥控器则用于控制飞行器的飞行轨迹和高度。
2、硬件设计
硬件配置是小型四旋翼低空无人飞行器的核心部分，主要包括电池、传感器、遥控设备等。电池选用高容量、轻量化的锂离子电池，以延长飞行器的续航时间；传感器则采用GPS、加速度计、陀螺仪等，以实现飞行器的定位、导航和控制；遥控设备则选用2.4GHz遥控器，以实现遥控设备的无线传输。
小型四旋翼低空无人飞行器综合设计
01 引言
03 参考内容
目录

四轴旋翼飞行器结构设计与模态分析

Ｌｕｔｒｏｎｉｘ与Ａｕｂｕｒｎ大学在ＤＡＲＰＡ（Ｉ￣ｐ国防先进研究
位置。当４个旋翼的转速相等且所产生的升力之和等于旋翼机自身重力时，旋翼机处于悬停状态；
在悬停的基础上，旋翼机的任意一组旋翼转速等
目前，四轴飞行器主要偏重于飞控算法的研
究，关于机械结构设计还未涉及。本文以四轴旋
翼飞行器为代表，通过对四旋翼机飞行原理的分
析，给出了四旋翼飞行器机械结构设计的一般流程，并对其动态性能进行分析，其设计与分析过程对于多轴微型飞行器的设计改进具有一定的指导参考意义。
旋翼飞行器的试飞。
将产生偏航运动；同时等量增大或减ｄ，４个旋翼转
速时，旋翼机将向上或向下运动；当其中一个旋翼转速增大或减小，对角线上旋翼转速等量的减小或增大时，旋翼机将向旋翼转速减小的一侧倾斜，产生俯仰运动或者滚转运动。
收稿日期：２０１３－１１－１２基金项目：西北工业大学明德学院 “ 青年科学基金 ” （２０１１０６）作者简介：田卫军（１９７８一），男，讲师，博士研究生，研究方向为计算机辅助设计与制造、航空精密制造技术、加工振动。第３６卷第２期２０１４ — ０２（下）【３７】

四旋翼飞行器结构

四旋翼飞行器结构1. 概述四旋翼飞行器是一种利用四个对称排列的旋翼进行垂直起飞、悬停和操纵的飞行器。

其优势包括垂直起降、悬停能力强、灵活机动、飞行稳定等。

在无人机领域中，四旋翼飞行器已经得到了广泛应用，如航拍摄影、应急救援、农业植保等。

2. 结构组成四旋翼飞行器的结构组成主要包括机身、四个旋翼、电池、控制系统等组件。

2.1 机身四旋翼飞行器的机身是整个飞行器的主体部分，起到支撑和连接其他组件的作用。

通常由轻质材料制成，如碳纤维、玻璃纤维等，以提高飞行器的强度和降低重量。

机身的设计通常考虑空气动力学性能、结构强度和易制造性。

2.2 旋翼四旋翼飞行器通过四个对称排列的旋翼进行飞行。

旋翼包括电动机、螺旋桨和支撑梁等部分。

电动机作为旋翼的动力源，驱动螺旋桨旋转产生升力。

螺旋桨通过变化旋转速度和角度来控制飞行器的悬停、升降、前进、转向等动作。

支撑梁连接旋翼和机身，起到支撑和传递动力的作用。

2.3 电池四旋翼飞行器的电池是提供动力的重要组成部分。

通常使用锂电池作为飞行器的能源来源，具有高能量密度和长飞行时间的优势。

电池的选择应考虑飞行器的重量和飞行时间的需求，并且要遵循安全使用和充电的原则。

2.4 控制系统四旋翼飞行器的控制系统包括飞行控制器和遥控器。

飞行控制器是飞行器的大脑，通过接收遥控器的信号和传感器的数据，计算出飞行器的状态和控制指令，并控制旋翼的转速和角度。

遥控器是操作飞行器的手持装置，通过无线信号与飞行控制器进行通信，传输操纵指令。

3. 工作原理四旋翼飞行器通过控制旋翼的转速和角度来产生升力和推力，从而实现飞行。

通过改变旋翼的转速差异，可以实现飞行器的前进、转向和悬停动作。

飞行控制器根据遥控器输入和传感器反馈的数据，计算出适当的转速和角度，并通过电调调节电动机的输出，控制旋翼的运动。

4. 稳定性控制四旋翼飞行器的稳定性控制是实现飞行器平稳飞行的关键。

通过加速度计、陀螺仪、磁力计等传感器，飞行控制器可以感知飞行器的姿态和运动状态。

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四轴旋翼飞行器结构设计与模态分析

四旋翼飞行器结构

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