基于3D打印技術(shù)的四旋翼飛行器設(shè)計(jì)

童明浩， 王　君， 鄭　曉， 梁　冰， 彭　俊

(湖北工業(yè)大學(xué)， 湖北 武漢 430068)

基于3D打印技術(shù)的四旋翼飛行器設(shè)計(jì)

童明浩， 王君， 鄭曉， 梁冰， 彭俊

(湖北工業(yè)大學(xué)， 湖北 武漢 430068)

[摘要]分析基于3D的快速成型打印技術(shù)設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器飛行原理，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)3D打印關(guān)鍵零件做出力學(xué)仿真。結(jié)果表明，通過(guò)3D打印技術(shù)制造出飛行器主體可輕松實(shí)現(xiàn)私人訂制，設(shè)計(jì)的飛行器實(shí)物與傳統(tǒng)的飛行器相比具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、體積小、動(dòng)作靈敏等特點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]四旋翼飛行器； 3D打印； 仿真分析； 快速成型

小型無(wú)人飛行器分為旋翼和固定翼兩種，旋翼飛行器主要包括直升機(jī)飛行機(jī)器人和四旋翼飛行機(jī)器人兩個(gè)分支[1]，本文中的飛行機(jī)器人是指四旋翼飛行機(jī)器人。四旋翼飛行機(jī)器為了獲取更大升力和更高的平穩(wěn)性，飛行器的機(jī)架四個(gè)方向上對(duì)稱(chēng)安裝了四個(gè)相互獨(dú)立的螺旋槳[2-9]。與傳統(tǒng)加工方式相比較，3D打印是一種與傳統(tǒng)的材料加工截然相反的加工方式。它基于打印件的三維模型數(shù)據(jù)，通過(guò)逐層累加打印材料的方式制造產(chǎn)品[9-11]。基于3D打印的飛行機(jī)器人打造了符合現(xiàn)代化設(shè)計(jì)理念、滿足現(xiàn)代化生活生產(chǎn)需要的飛行器，其專(zhuān)業(yè)性和實(shí)用性得到了廣泛的認(rèn)可[11-13]。

1四旋翼飛行器理論建模

1.1四旋翼飛行器的組成

四旋翼飛行器相對(duì)于傳統(tǒng)的飛行器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便靈活、設(shè)計(jì)巧妙、能夠在各種環(huán)境下飛行等優(yōu)點(diǎn)，它由機(jī)架、螺旋槳、姿態(tài)控制模塊、電源以及接收裝置組成(圖1)。

圖 1　四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)圖

飛行器相關(guān)部分的作用。

1)機(jī)架：飛行器的機(jī)架呈十字型，主要用于安裝控制電路板、無(wú)刷電機(jī)、電子調(diào)速器和電源。在設(shè)計(jì)機(jī)架時(shí)應(yīng)盡量多用肋、筋等結(jié)構(gòu)，這樣不僅能夠增強(qiáng)機(jī)架的強(qiáng)度，而且可以減輕整個(gè)機(jī)架的重量。

2)螺旋槳：兩對(duì)螺旋槳分別安裝在十字型機(jī)架的4個(gè)頂點(diǎn)，相對(duì)的2個(gè)螺旋槳朝同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，相鄰的螺旋朝相反的方向旋轉(zhuǎn)，螺旋槳的安裝角度固定不可改變，通過(guò)改變4個(gè)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度控制飛行器的不同飛行姿態(tài)，為飛行器提供動(dòng)力。

3)控制電路板：控制電路板是飛行器的核心部分，其好壞直接影響飛行器的整體飛行性能。主要由微處理器、慣性檢測(cè)單元以及數(shù)據(jù)通信模塊組成，以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的檢測(cè)、控制以及與遙控器和電子調(diào)速器之間的數(shù)據(jù)通信功能。

4)電子調(diào)速器：將控制電路板發(fā)出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

5)接收機(jī)：接收來(lái)自遙控器的無(wú)線信號(hào)，并將其反饋給飛控板，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)的控制操作。

1.2四旋翼飛行器的原理分析

四旋翼飛行器根據(jù)其結(jié)構(gòu)分為“X”型和十字型兩種。十字型的機(jī)身支架與姿態(tài)改變方向的方向相同，相對(duì)于“X”型控制更加方便，本文研究對(duì)象為十字型飛行器(圖2)。

圖 2　四旋翼飛行器十字型飛行方式

在四旋翼飛行器的十字機(jī)架頂端，每個(gè)螺旋槳下面安裝一個(gè)獨(dú)立電機(jī)(圖2)，電機(jī)1、2、3、4呈“十字型”安裝在機(jī)架上。在飛行器飛行時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳會(huì)產(chǎn)生扭矩，扭矩會(huì)使飛行器機(jī)身產(chǎn)生自旋，這種自旋運(yùn)動(dòng)如果不消除，將會(huì)干擾飛行器正常工作。為消除這種反扭矩，得使飛行器的4個(gè)螺旋槳對(duì)稱(chēng)分布，設(shè)定相鄰2個(gè)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向相反，圖2所示左右兩個(gè)螺旋槳2、4的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針，產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较虻呐ぞ兀簧舷聝蓚€(gè)螺旋槳1、3的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻呐ぞ兀虼寺菪龢a(chǎn)生的空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)被抵消。

飛行器的飛行姿態(tài)是通過(guò)四個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)控制螺旋槳的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，飛行器的姿態(tài)主要包括高度、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角幾方面的控制。圖3中箭頭線粗細(xì)代表轉(zhuǎn)速的快慢。

圖 3　四旋翼飛行器飛行姿態(tài)控制

1.3質(zhì)心運(yùn)動(dòng)模型

如圖4所示，建立慣性坐標(biāo)系E(OXYZ)和機(jī)體坐標(biāo)系B(OXYZ)，基于三個(gè)歐拉角(滾轉(zhuǎn)角φ、俯仰角θ、偏航角ψ)，可以得到機(jī)體坐標(biāo)系B相對(duì)于慣性坐標(biāo)系E的變換矩陣

R=RxRyRz=

(1)

圖 4　四旋翼飛行器坐標(biāo)系

取E(OXYZ)的一組標(biāo)準(zhǔn)正交基(b1,b2,b3)T，B(OXYZ)的一組標(biāo)準(zhǔn)正交基(i,j,k)T，則兩個(gè)坐標(biāo)系間向量變換可表示為：

(2)

重力G，沿OZ負(fù)方向；升力Fi(i=1,2,3,4)，沿oz正方向。Mi(i=1,2,3,4)垂直于葉片的旋翼平面，與旋轉(zhuǎn)矢量相反。

由牛頓第二定律對(duì)飛行器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，有：

(3)

(4)

其中：F為作用在四旋翼飛行器上的外力和，v為飛行速度，ωi為機(jī)翼轉(zhuǎn)速。

由變換矩陣R知

(5)

將式(5)帶入到式(4)中得

(6)

由矩陣對(duì)應(yīng)元素相等，得質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程：

(7)

23D打印技術(shù)與飛行器硬件設(shè)計(jì)

2.13D打印飛行器的優(yōu)勢(shì)

以前，對(duì)于飛行器的機(jī)架、機(jī)臂等一些塑料件的制造一般采用傳統(tǒng)的制造技術(shù)。傳統(tǒng)制造技術(shù)機(jī)械設(shè)備占用的空間比較大，工作環(huán)境惡劣，對(duì)加工出來(lái)的產(chǎn)品還需要再加工，比較適合于批量生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且形狀尺寸要求不嚴(yán)格的產(chǎn)品。而3D打印成型技術(shù)設(shè)備體積小，不需要單獨(dú)的車(chē)間來(lái)放置打印機(jī)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料豐富，能制造出一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的產(chǎn)品，比較適合于私人訂制類(lèi)型創(chuàng)新產(chǎn)品的制造。

隨著對(duì)四旋翼飛行器的不斷摸索創(chuàng)新，人們對(duì)其結(jié)構(gòu)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，相比較于傳統(tǒng)的制造技術(shù)而言，3D打印技術(shù)不需要考慮工藝、加工等各方面的問(wèn)題，而且所需要的材料是綠色可降解的材料，打印出來(lái)的物件可以根據(jù)具體使用要求設(shè)置不同填充形狀與填充量使打印件在質(zhì)量最輕的情況下獲得最大的強(qiáng)度。選擇使用3D打印成型技術(shù)可以做出更好的飛行器。本文使用的3D打印機(jī)如圖5所示。

圖 5　3D打印機(jī)實(shí)物

2.2四旋翼飛行器三維建模及相關(guān)組件靜應(yīng)力分析

整個(gè)飛行器的立體機(jī)架結(jié)構(gòu)是其能夠正常飛行的基礎(chǔ)，各方面的尺寸都是相互制約的。整個(gè)機(jī)架都是由3D打印技術(shù)制造。考慮到所使用的打印材料是PLA，機(jī)架的上機(jī)架(圖6a)和下機(jī)架(圖6b)設(shè)計(jì)為5 mm厚，外形尺寸為140 mm，上機(jī)架板上適當(dāng)去除一些材料，一方面為了減輕飛行器硬件的重量，另一方面也便于飛控等電子元器件的固定。

圖 6　3D打印零件三維圖

整個(gè)飛行器要著陸而且飛行器起飛時(shí)螺旋槳下面要有足夠多的空間使螺旋槳有足夠的升力來(lái)帶動(dòng)飛行器起飛，特此設(shè)計(jì)了上下高度為70mm的飛行器云腳架，其三維模型如圖6c所示。

為了增強(qiáng)機(jī)架結(jié)構(gòu)的剛性以及整個(gè)機(jī)架在飛行中的穩(wěn)定性，且考慮到機(jī)臂是整個(gè)飛行器受力的核心模塊，機(jī)臂的強(qiáng)度直接影響著整個(gè)飛行過(guò)程能否順利進(jìn)行，因此，設(shè)計(jì)上下機(jī)架板之間需要固定的機(jī)臂根部的厚度為20 mm，機(jī)臂中間厚度為8 mm，寬22 mm，每個(gè)機(jī)臂的長(zhǎng)度為160 mm。而且機(jī)臂是通過(guò)3D打印出來(lái)的，考慮到打印過(guò)程中支撐物不好打印等問(wèn)題，在此特意將機(jī)臂下面部分做成一個(gè)平面，三維圖如圖7所示。

圖 7　機(jī)臂三維圖

由SolidWorks simulation功能對(duì)主要受力部件機(jī)臂進(jìn)行靜應(yīng)力分析，對(duì)安裝無(wú)刷電機(jī)部分施加700 g向上的力。應(yīng)力、應(yīng)變分析的結(jié)果如圖8所示。

(a)應(yīng)力圖解

(b)應(yīng)變圖解圖 8　機(jī)臂靜應(yīng)力分析結(jié)果

機(jī)臂靜應(yīng)力分析結(jié)果表示，電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)臂足以承受其提供的升力。對(duì)比由3D打印技術(shù)打印的立體模型和所繪制的三維圖可以看出，如今3D打印技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，無(wú)論在外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面還是在總體尺寸和重量上都可以滿足實(shí)際工作需求，同時(shí)在切片的過(guò)程中通過(guò)修改填充密度和每次材料沉積的厚度可以完成不同的精度要求。

綜合各個(gè)零件的設(shè)計(jì)，最終整個(gè)機(jī)架裝配的三維圖如圖9所示。

圖 9　四旋翼飛行器三維圖

本飛行器所有原器件如下：3D打印機(jī)架、1045螺旋槳、新西達(dá)A2212 KV1000無(wú)刷電機(jī)、好盈30A無(wú)刷電子調(diào)速器、分電板、格氏鋰電池、QQ飛控、天地飛WFR06S 2.4G 6通道接收機(jī)和天地飛WFT06X-A 2.4GHz 6通道遙控器，圖10即為四旋翼飛行器的連接線路圖。

圖10　四旋翼飛行器連接圖

飛行器的整個(gè)組裝分為以下幾個(gè)步驟：1)組裝3D打印出來(lái)的機(jī)架；2)將香蕉頭焊接到無(wú)刷電機(jī)上便于與電調(diào)的連接，并將電機(jī)分別固定在機(jī)架上；3)將電調(diào)的四個(gè)正負(fù)極分別焊接在分電板上，同時(shí)將T插的公頭焊接在分電板上，以便于電源連接；4)將電機(jī)與電調(diào)之間的線和接收機(jī)與QQ飛控之間的線連接起來(lái)。

在整個(gè)安裝的過(guò)程中不僅要注意四軸和電子元器件之間配置的平衡，而且螺旋槳要在所有元器件安裝并調(diào)試完成之后才能安裝，否則很容易造成不必要的人身和硬件的傷害。最終飛行器實(shí)物圖如圖11所示。

圖11　四旋翼飛行器實(shí)物圖

3結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)飛行器的結(jié)構(gòu)組成及其相關(guān)組成部分的功能做了簡(jiǎn)要闡述，并結(jié)合相關(guān)簡(jiǎn)圖分析了飛行器各種飛行姿態(tài)飛行原理，建立飛行器的相關(guān)模塊的原理模型與質(zhì)心運(yùn)動(dòng)模型。通過(guò)分析比較選擇3D打印制造技術(shù)制作飛行器的主體部分，并在理論建模的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)架進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，得出各個(gè)部分的三維圖及相關(guān)參數(shù)。針對(duì)上述機(jī)架結(jié)合相關(guān)器件進(jìn)行某些器件的測(cè)試，并對(duì)組裝起來(lái)的整機(jī)進(jìn)行試飛調(diào)試， 3D打印的飛行器飛行狀況良好。

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[責(zé)任編校： 張眾]

The Design of a Quadrotor Helicopter Based on 3D Printing Technology

TONG Minghao， WANG Jun， ZHENG Xiao， LIANG Bing， PENG Jun

(HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430064,China)

Abstract：This paper designed a quadrotor helicopter based on 3D printing technology. According to the features of quadrotor helicopter, we made a detailed analysis of the quadrotor’s flight principle, the innovation and improvement of the structure in order to make a mechanical simulation analysis for the key parts of 3D printing. The results show that it is easy to manufacture the body of the aircraft to realize the prototyping vehicle with personal design through 3D printing technology which made rapid. Compared with the conventional aircraft, the final quadrotor has stronger maneuverability, smaller size and smarter performance, which also has broad application prospects.

Keywords：quadrotor; 3D printing; simulation analysis; rapid prototyping

[收稿日期]2016-01-08

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405140)；湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2015CFA112)；湖北省教育廳優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(T201505)

[作者簡(jiǎn)介]童明浩(1991-)， 男， 湖北，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)椴⒙?lián)機(jī)構(gòu)，并聯(lián)機(jī)器人及操作器

[通訊作者]王君(1977-)，男，湖北，博士，湖北工業(yè)大學(xué)教授，研究方向?yàn)闄C(jī)器人學(xué)，先進(jìn)制造技術(shù)與裝備，新能源技術(shù)

[文章編號(hào)]1003-4684(2016)02-0009-03

[中圖分類(lèi)號(hào)]TH122

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]：A