四轴飞行器运动分析

实时情况反映飞行器

——可行性分析报告

杨奕（组长）韩志梁根鑫王禹欣

【实用背景】

对于我们的航模，我们有两种实用思路。

第一：

从汶川地震开始，我们关注到，在许多地区发生灾害以后，各种通讯设备无法使用导致与外界的交流阻断，同时受灾地区交通阻塞，救援队伍无法进入勘察受灾状况。于是，我们想到使用小型的遥控航模附带上实施航拍以及GPS导航功能，快速及时地反映那些对外交流困难的受灾地区的受灾情况，从而更有利于救援行动的开展。

第二：

现代交通业的迅速发展和膨胀导致了公路拥堵现象越发严重。尤其是经历了2012年十一假期个全国性交通堵塞，我们深感及时的了解前方路况让车辆分流有多么重要。并且，现在的城市道路上都已经装上摄像头，这些设备可以协助交通部门管理城市道路。但高速公路上缺少这样的设备。并且高速公路路况可能变化很快，这更需要某种机制可以帮助疏导车流。所以，我们设想，与交通部门取得联系，在我们完成航模之后，借用交通部门高速公路上的网络端口，将拍摄的图像实时传输回来，以保证车辆的快速通过。

【预算分析】

四轴机架带陀螺仪251

飞控板250元

无刷电机4*100=400

电调4*88=352

正反桨2*24= 48

锂电池120元

平衡充电器188元

7通道遥控器及接收器600元

舵机 16*2=32

平板天线67.8

无线电视频传输设备540

微型彩色摄像头200

杂费500

总造价约3548.8元

【航模飞行可行性】

经过调查，我们发现，四轴飞机的稳定性和可控制性都比较好，所以，我们选择四轴飞机作为航模。

四轴/多轴飞行器原理不复杂，以四轴为例，四个桨构成一个旋翼平面，靠飞控板控制每个动力组的输出，来控制旋翼平面的倾斜，靠升力的分力来改变飞行方向：

四轴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，且四个旋翼轴距几何中心的距离相等，旋翼1和旋翼3逆时针旋转，旋翼2和旋翼4顺时针旋转，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。

- 1 - 四轴飞行器运动分析

一、飞行原理

四轴飞行器的结构形如图所示，其中同一对角线上的电机转向应该相同，不同对角线上的电机转向应该相反。这样，当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。

与传统的直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。四旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。其基本运动状态可分为：

（1） 垂直运动；

（2） 俯仰运动；

（3） 滚转运动；

（4） 偏航运动；

（5） 前后运动；

（6） 侧向运动；

- 2 - 下面将逐个说明飞行器的各种飞行姿态：

垂直运动——在图中，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当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。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。

俯仰运动——在图（b）中，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。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（方向如图所示），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。 - 3 -

滚转运动——与图b的原理相同，在图c中，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。

基于ANSYS的四轴飞行器机架振动分析

【摘要】四轴飞行器为多轴飞行器的一种，是近些年来新兴的智能微型飞行器方面的热点之一，具有结构简单、空中动作灵活、反应迅速、可悬停等特点。由于其结构简单但功能强大，为保证其安全飞行，有必要研究其结构强度，特别是机架。本文基于四轴飞行器不稳定、非线性、强耦合等特性，利用ANSYS有限元分析软件对机架在桨叶高速运行时进行振动分析。

【关键词】四轴飞行器;振动分析;ANSYS

1.引言

四轴飞行器是一种微型飞行器，利用四个旋翼作为飞行引擎来进行空中飞行。由于尺寸较小、重量较轻、适合携带一定的任务载荷，具备自主导航飞行能力。因而在复杂、危险的环境下应用越来越广泛。

四轴飞行器作为一种飞行稳定、能任意角度灵活移动的飞行器，在没有外力并且重量分布平均时，四个螺旋桨以同样的转速转动，当螺旋桨向上的拉力大于整机的重量时，四轴飞行器就会向上升;在拉力与重量相等时，四轴飞行器就可以在空中悬停;在四轴的前方受到向下的外力时，前方马达加快转速，以抵消外力的影响从而保持水平，同样其他几个方向受到外力时四轴也可以通过这种动作保持水平。当需要控制四轴向前飞时，前方的马达减速，而后方的马达加速，这样四轴就会向前倾斜，也相应地向前飞行，同理，其他的飞行姿态也可实现。

模态是振动特性的一种表征，它是构成各种工程结构复杂振动的那些最简单或最基本的振动形态。通过模态分析可以得到结构的固有频率和振型，为机架结构获得更好的动态性能和优化设计提供依据。本文就四轴飞行器，分析其机架在高速运转中的振动情况，通过Ansys模态分析，计算其合理的飞行模态。

2.有限元模型的建立

机架主要由链接板、支撑杆、脚架组成，如图1所示。为方便分析，现只对四分之一机架在单个桨叶转动情况下的振动特性进行分析。

图1 机架实体图

该机架结构复杂，且为三维实体，建立有限元模型的过程中，以符合结构主要的力学特性为前提，对结构做适当而合理的假设[1]（假设四分之一的机架不包括脚架，且电机和支撑杆之间是固定连接，而桨叶与电机为转动面接触）和简化（去除对分析影响小的多余零件），以进行方便有效的计算和分析。

-202-学术交流

率，训练时间大幅减少。参考文献[1]王昆翔,李衍达,周杰.关于人脸图像自动识别研究中的几个问题[J].公安大学学报,2001(1).[2]李刚,高政.人脸识别理论研究进展[J].计算机与现代化,2003(3).[3]廖国琼,刘云生.嵌入式实时数据库ARTs-EDB事务调度实现技术[J].计算机工程,2005,31(16):37-39.[4]陈传波,王桦.实时数据库的事务调度研究[J].计算机应用,2005,25(9):2004-2006.[5]夏家莉.嵌入式实时数据库系统的事务模型及其处理技术[M].北京:经济管理出版社,2004.作者简介：叶超（1987—），男，湖北黄冈人，硕士，现就读于中北大学机械工程与自动化学院模式识别与智能系统专业。基于ANSYS的四轴飞行器机架振动分析西南交通大学 黄世明 王清波 吴逸涵 殷 俊【摘要】四轴飞行器为多轴飞行器的一种，是近些年来新兴的智能微型飞行器方面的热点之一，具有结构简单、空中动作灵活、反应迅速、可悬停等特点。由于其结构简单但功能强大，为保证其安全飞行，有必要研究其结构强度，特别是机架。本文基于四轴飞行器不稳定、非线性、强耦合等特性，利用ANSYS有限元分析软件对机架在桨叶高速运行时进行振动分析。【关键词】四轴飞行器；振动分析；ANSYS1.引言四轴飞行器是一种微型飞行器，利用四个旋翼作为飞行引擎来进行空中飞行。由于尺寸较小、重量较轻、适合携带一定的任务载荷，具备自主导航飞行能力。因而在复杂、危险的环境下应用越来越广泛。四轴飞行器作为一种飞行稳定、能任意角度灵活移动的飞行器，在没有外力并且重量分布平均时，四个螺旋桨以同样的转速转动，当螺旋桨向上的拉力大于整机的重量时，四轴飞行器就会向上升；在拉力与重量相等时，四轴飞行器就可以在空中悬停；在四轴的前方受到向下的外力时，前方马达加快转速，以抵消外力的影响从而保持水平，同样其他几个方向受到外力时四轴也可以通过这种动作保持水平。当需要控制四轴向前飞时，前方的马达减速，而后方的马达加速，这样四轴就会向前倾斜，也相应地向前飞行，同理，其他的飞行姿态也可实现。模态是振动特性的一种表征，它是构成各种工程结构复杂振动的那些最简单或最基本的振动形态。通过模态分析可以得到结构的固有频率和振型，为机架结构获得更好的动态性能和优化设计提供依据。本文就四轴飞行器，分析其机架在高速运转中的振动情况，通过Ansys模态分析，计算其合理的飞行模态。2.有限元模型的建立机架主要由链接板、支撑杆、脚架组成，如图1所示。为方便分析，现只对四分之一机架在单个桨叶转动情况下的振动特性进行分析。图1 机架实体图该机架结构复杂，且为三维实体，建立有限元模型的过程中，以符合结构主要的力学特性为前提，对结构做适当而合理的假设[1](假设四分之一的机架不包括脚架，且电机和支撑杆之间是固定连接，而桨叶与电机为转动面接触)和简化(去除对分析影响小的多余零件)，以进行方便有效的计算和分析。首先用Pro/E三维制图软件分别画出桨叶和支撑杆、电机。然后通过Pro/E和Ansys的接口导入Ansys中[3]，选择SOLID186单元类型，并在划分网格时对不同的部件分别定义不同的材料属性。3.模态分析的基本理论模态分析[3]在动力学分析过程中可以分析设计机构或机器部件的振动特性，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，模态分析也可以作为其他动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析。模态分析的核心内容是确定描述结构系统动态特性的参数。对于一个N自由度线性系统，其运动微分方程为：MX″+CX′+KX=F(t) (1)式中：M—质量矩阵； K—刚度矩阵； X—位移向量； F(t)—作用力向量； t—时间。当F(t)=0时，忽略阻尼C影响，方程变为：MX″+KX=0 (2)自由振动时，结构上各点作简谐振动，各结点位：X=Φ-ejωt (3)由式(2)、式(3)得：(K-ω2M)Φ=0求出特征值ω2和特征值Φ。又：ω=2πf求得系统各阶固有频率即模态频率，固有振型即模态振型。4.机架固有模态求解大型CAE通用有限元软件ANSYS提供了7种模态分析求解的方法，本文拟采用Block-Lanczos(分块兰索斯法)[3]法。机架的弯曲及扭转振动是其结构动态特性的主要表现形式。同时，由于扭转振动对机架强度的影响最大，而且机架的扭转振动主要受其支撑杆的影响[2]，因此，要提高扭转刚度，需要求解出机架的所有扭转模态。由于结构的振动可以表示为各阶固有振型的线性组合，其中低阶的振型对结构的动力影响程度比高阶振型大，因此，低阶振型决定了结构的动态特性。5.结果分析机架的激励源主要来自于机架支座上的桨叶、电机和机架上支撑杆的振动。该四轴飞行器所使用发动机型号为BE4215-650kv，取转速为7100r/min。机架前10阶弹性模态频率分布在(43.4977～162.338)Hz，机架的固有振型可分为两类：(1)支撑杆座的振动第5阶振型是机架支撑杆在XZ平面的扩大；第8阶频率为131.65，其振型为支撑杆的弯曲和扭转；第9阶振型是支撑杆的扭转变形，且最大变形量出现在杆中间。(2)桨叶的振动第4、6、7阶振型主要是桨叶的弯曲变形，且第7阶的弯曲变形量比第4、6阶大；第10阶主要是桨叶的扭曲变形，且变形量很大。6.结语研究表明，四轴飞行器机架一般只需计算较高的几阶频率，因为低阶振型对结构的动力特性影响很小，所以，以上面的分析为基础，在对机架的设计和优化时，主要考虑：(1)机架高阶频率(即十阶扭转和弯曲频率的值)应低于发动机怠速运转频率，以避免发生整体共振；(2)扭转振动对机架强度的影响最大，要提高机架的扭转刚度[2]。机架的扭转振动主要受其支撑杆影响，因此可通过调整支撑杆的位置或改变支撑杆的截面形状及尺寸来实现机架刚度的提高；(3)该机架支撑杆的弯曲和扭转幅度较大，可通过增加其臂厚或改变其支撑杆位置，使其局部振型发生改变。通过四轴飞行器机架结构参数，建立了机架的三维几何模型和有限元模型，进行模态分析，得到了机架的前10阶固有频率和振型图，全方位地体现结构特性。总结得到机架结构由于振动产生的弯曲、扭转等变形可能会造成相关部件疲劳破坏，甚至断裂等问题，同时利用机架模态参数的变化诊断和预报结构地故障及研究机架零部件或整体的振动情况，为做机架相应分析提供了重要的模态参数，为改进和提高四轴飞行器机架的设计提供了理论依据，为深入研究振动、疲劳和噪声等问题奠定了基础，同时也为实际试验提供了参考和依据。参考文献[1]冯鉴,何俊,雷智翔.机械原理[M].成都:西南交通大学出版社,2008,8.[2]濮良贵,纪名刚.机械设计(第八版)[M].高等教育出版社,2010.[3]胡国良,任继文.ANSYS11.0有限元分析入门与提高[M].北京:国防工业出版社,2011,1.基于ANSYS的四轴飞行器机架振动分析作者：黄世明， 王清波， 吴逸涵， 殷俊作者单位：西南交通大学刊名：电子世界英文刊名：Electronics World年，卷(期)：2014(4) 本文链接：/Periodical_dzsj201404195.aspx