多旋翼無人飛行器結(jié)構(gòu)設計分析

于翔，徐洋

（中國人民解放軍61267部隊，河北 廊坊 065000）

多旋翼無人飛行器是一種體積小、操作簡單、運動較為靈活的多旋翼無人機。它不僅僅在自然災害，生態(tài)環(huán)境保護，測繪測量等上有重要的功能，而且還是航拍愛好者的一種娛樂手段。多旋翼無人飛行器在結(jié)構(gòu)的設計上也是十分的復雜，只有進一步對多旋翼無人飛行器進行研究，找出其實現(xiàn)原理才能夠?qū)崿F(xiàn)功能的最大化。本文就以多旋翼中的四旋翼無人飛行器為例來進行設計。

1 多旋翼無人飛行器設計原則

1.1 設計合理

在設計無人飛行器的階段時，需要考慮到兩個方面，一是飛行器的整體結(jié)構(gòu)需要滿足飛行器的載荷要求，二是飛行器在進行運輸時通常使用中小型汽車進行運輸，因此它的包裝尺寸必須要能夠在汽車的運輸體積范圍內(nèi)。因此，為了縮小飛行器的運輸控制空間，通常飛行器的整體結(jié)構(gòu)使用部件拆分和折疊的方式，以此達到縮小包裝空間的目的。

1.2 設計材質(zhì)要輕量

多旋翼無人飛行器的材質(zhì)要達到兩個要求，其一就是材料要輕質(zhì)，其二就是材料要具有一定強度，能夠滿足升空設備的要求，并且保證它的主體機構(gòu)能夠具有一定的抗風能力和承載能力。

1.3 設計要具有工藝性

在設計飛行器的過程中，需要讓結(jié)構(gòu)具有工藝性，工藝性會影響整個飛行器的生產(chǎn)周期和制作成本。因此，盡量要使用性價比合適的材料。

2 四旋翼無人飛行器的原理

四軸飛行器與普通的直升機飛行結(jié)構(gòu)模式并不一樣，它主要是利用對固定旋翼來進行動力的提供和傳輸，對角的飛行旋翼所旋轉(zhuǎn)的方向一致，而相鄰的旋翼所旋轉(zhuǎn)的方向不一致。這種設計的模式有兩個優(yōu)點，首先是能夠利用正反螺旋槳之間的相互作用，然后將各個旋翼之間產(chǎn)生的反槳矩消除，從而飛行器維持在一個穩(wěn)定的平衡飛行狀態(tài)，并且也不用像直升機那種飛行模式，進行單獨設計一個尾槳來保持飛機自身的旋轉(zhuǎn)。針對直升機來講，四軸飛行器將其飛行模式與機械構(gòu)造進行簡化了。

螺旋槳在進行旋轉(zhuǎn)時，空氣與槳葉會產(chǎn)生相對運動，因此引發(fā)的氣流也會在槳葉上進行摩擦，并且在空氣中流過槳葉的前后緣都會產(chǎn)生一定的壓強差，并且利用這種壓強差產(chǎn)生一定的作用力。一般情況下，將空氣動力對螺旋槳產(chǎn)生的作用力可以分為阻礙螺旋槳旋轉(zhuǎn)的阻力Q和向上的拉力P。然而因為螺旋阻力Q與槳軸間存在一定的距離，會導致槳葉與阻力的切向速度違背，從而形成了阻力力矩。根據(jù)螺旋槳片條理論，可以將空氣動力系CP、CQ代入公式，能夠計算出阻力Q與升力P的形式：

在上述公式中，ρ屬于空氣密度，n則代表的是螺旋槳轉(zhuǎn)速，D是螺旋槳直徑。利用上述公式，可以發(fā)現(xiàn)，若是螺旋槳與空氣的密度為固定值時，阻力Q與升力P的大小會與螺旋槳產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速性成正比，若是轉(zhuǎn)速越大，則升力也就越高。

因為四旋翼飛行器主要有偏航、俯仰、橫滾以及油門這四個控制量，在控制方面，系統(tǒng)需要進行多自由度的運動，并且還要進行四個電機轉(zhuǎn)速的控制，從而調(diào)節(jié)飛行的狀態(tài)。四軸飛行器主要有四種飛行模式，分別為垂直運動、偏航運動、翻滾運動以及俯仰運動。

垂直運動相比于其他三種運動，其模式更加的簡潔。如圖1所示，螺旋槳上方的箭頭表示的是拉力上升；邊緣的箭頭則表示的是螺旋槳旋轉(zhuǎn)的方向。在四個電機進行相同功率的輸出時，每一個電機產(chǎn)生的反扭力都是一樣的，而相鄰的電機所產(chǎn)生的反扭力方向相反，因此四個電機輸出的合力上只存在于垂直方向上。若是升力P比機身的重量要大時，飛行器則會垂直向上；若是升力P與機身重量相等時，則飛行器會懸浮，若是升力P小于G時，則飛行器會垂直下降。

圖1 垂直運動

3 多旋翼無人飛行器的設計方案

本文中給出了一種視頻監(jiān)控用折疊式四旋翼無人飛行器的結(jié)構(gòu)設計方案，重點對飛行器的材料選擇、任務載荷和系留纜繩安裝以及起落架的結(jié)構(gòu)進行了設計。在設計四旋翼無人飛行器的方案時，主要針對兩種飛行器，即十字型和X型飛行器。本文中研究飛行器的設計方案的主要目的就是為了給飛行器設計提供參考意見。四旋翼飛行器擁有4個對稱的螺旋槳，4個螺旋槳大小一致，并且有4個分布在螺旋槳支架端的電動機為螺旋槳提供飛行動力。在飛行器的機身上需要安裝陀螺儀、感應器、GPS、加速度計、紅外線測距裝置和視覺感應系統(tǒng)，保證整個四旋翼無人飛行器的重心在四個螺旋槳重心的最中心的圓心上。

4 多旋翼無人飛行器的結(jié)構(gòu)設計分析

多旋翼飛行器的設計需要符合飛行器的工作原理，在確定機身的回轉(zhuǎn)半徑時，需要來根據(jù)飛行器的中立比例和飛行工況來綜合計算，細化控制系統(tǒng)設計完善飛行器的設計。飛行器設計中需要參考的一個重要數(shù)據(jù)和概念就是推重比，它是指機身中和推力的比值，如果推重比大于1，則飛行器就會正常飛行，反之小于1，飛行器的飛行狀態(tài)會異常。另外四旋翼飛行器不僅要能夠正常飛行，還要具有航拍功能，不僅如此，四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)設計要緊湊。設計人員需要在確定推重比之后，對控制飛行器的電子設備進行設計，以此保證飛行器的尺寸合理、零部件正常。多旋翼飛行結(jié)構(gòu)中的主體就是空中平臺結(jié)構(gòu)，它是由不同型號的碳纖維板材組成的，在選擇材料類型時，可以使用三維編織的T300碳纖維復合材料，這種材料強度較高、重量較低。另外，為了減輕整個飛行器的重量，需要根據(jù)整個飛行器的載荷大小而調(diào)整設備艙主體碳纖維厚度。飛行器在執(zhí)行飛行任務時需要根據(jù)項目要求來搭載掛載，而其中最常見的掛載就是相機云臺，這就需要設計人員在設計過程中以快換、快拆為設計原則，統(tǒng)一機體和掛載的連接接口。

5 多旋翼無人飛行器的結(jié)構(gòu)設計

5.1 材料的選擇

空中平臺結(jié)構(gòu)是采用不同型號的板材和碳纖維管材搭建而成，板材和碳纖維管材使用的是三維編織T300碳纖維復合材料，此材料具有較高的強度和較輕的質(zhì)量。為了讓飛行器的機構(gòu)重量輕便，設備艙主體的3層碳纖維板材的厚度依據(jù)載荷的大小，從上到下依次為1.5mm、2mm、1.8mm，并設計合理的減輕孔。支撐臂和起落架主要承受彎矩載荷，采用抗彎性能較強的碳纖維管材。任務載荷掛架及輔助豎梁等應力比較大的零件采用質(zhì)輕強度高的航空鋁合金材料7075-T651，此材料能夠顯著提高機構(gòu)的強度，減輕機身機構(gòu)重量。碳纖維復合材料編織的零件在鉚接時會出現(xiàn)碎裂和壓潰的問題，因此為了保證零件間的聯(lián)接質(zhì)量，復合材料零件均采用鋁合金接頭搭接。在進行搭建時，使用專用定位工裝進行搭建。

5.2 任務載荷和系留纜繩安裝

本文中設計的飛行器使用的任務載荷為高清攝像機，此攝像機能夠覆蓋到俯仰90°和水平360°度，讓飛行器的攝像機能夠給實現(xiàn)全方位的立體視頻監(jiān)控。根據(jù)飛行器上的任務載荷的安裝接口和結(jié)構(gòu)形式，要將其設計為法蘭式。并且任務載荷吊艙底部是系留纜繩支架，上部有8個螺釘于設備艙進行連接。任務載荷吊艙采用鋁合金7075-T651機加而成，整個吊艙的重量只有105g，完全滿足了輕量化設計要求。

5.3 收放式起落架設計

四旋翼飛行器為了滿足一些拍攝要求，會使得飛行器要收起起落架，使航拍視角能夠不受阻擋。而且還要保證四旋翼飛行器安全著陸，使其具有吸收并耗散飛行器著陸垂直速度產(chǎn)生的動能。因此，在設計起落架時，不僅要實現(xiàn)飛行器的起落架的功能，還要設計收放機構(gòu)。

6 結(jié)語

隨著科學技術的發(fā)展，四軸飛行器不斷的被運用于各種科技領域中。尤其在生活方面，有著更加廣泛的發(fā)展前景。四軸飛行器本身就具備了多方面的科學技術，如電路設計、導航、自動控制、飛行動力學等。本文通過設計四軸飛行器的結(jié)構(gòu)，首先詳細分析了四軸飛行器的工作原理和設計方案，使飛行器能夠滿足拍攝需求，在未來的發(fā)展中能夠得到廣泛應用。