教學用四軸飛行器的主體結構設計與建模

顏世玉 趙海濱 周川翔

摘 ? 要：四軸飛行器在航空、民用、軍事等領域有著廣闊的應用前景。本文論述了一種教學用小型四軸飛行器的主體結構輕量化設計與建模，其具有演示、簡單航拍、陸空兩用等功能。包括零件的設計、材料選擇以及整體三維模型的裝配。最后給出了ANSYS分析結果，表明所設計的飛行器可行，具有一定的教學意義和實際價值。

關鍵詞：四軸飛行器 ?結構設計 ?建模 ?ANSYS分析

中圖分類號：TN403 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（c）-0061-03

Abstract： Four-Axis aircraft has broad application prospects in aviation， civil， military and other fields. This paper describes the lightweight design and modeling of the main structure of a small four-axis aircraft for teaching， which has the functions of demonstration， simple aerial photography， land-air dual-purpose and so on. The part design， material selection and assembly of the whole three-dimensional model are discussed in this paper. Finally， the results of ANSYS analysis show that the designed aircraft is feasible and has certain teaching significance and practical value.

Key Words： Four-axis aircraft; Structure design; Modeling; ANSYS analysis

四軸飛行器具有結構簡單、靈活性強，并可實現垂直起降和多樣化擴展功能的特點，是航空領域的研究熱點之一[1]。同時，在電力、農田等民用領域以及敵情檢測、地圖繪制等軍事領域也有著廣闊的應用前景[2]。

無人機已經進入課堂。本文論述一種教學用四軸飛行器的主體結構設計與建模，該飛行器具有簡單航拍、陸空兩用模式以及應急降落保護功能。

1 ?四軸飛行器的運動原理

四軸飛行器在空間坐標系內的機體運動主要有升降、俯仰、橫滾和偏航幾種，可以將其抽象為如圖1所示的力學模型[3]。

圖1中，F前、F左、F后、F右表示4個旋翼所產生的升力的矢量;M前、M左、M后、M右表示4個旋翼所產生的力矩的矢量。

通過控制電機的轉速的變化，改變旋翼所產生的升力和力矩的變化，即可實現飛行器位姿的變化。

以升降運動來講，通過電機的速度控制，當機體的4個旋翼的升力相同，升力的合力大于機體重力時實現機體的上升;升力的合力等于機體重力時實現機體的懸停;升力的合力小于機體重力時實現機體的下降，如圖2所示。

表1列出了飛行器在各種運動姿態時的電機轉速變化。

2 ?四軸飛行器機架的設計

2.1 機架的基本結構

機架的主要零件包括力臂、上面板、下面板、掛載板及腳架等。

力臂即為四軸飛行器的機翼，是搭載電機以及螺旋槳的部分。四軸飛行器的上面板和下面板主要用以連接四個力臂，同時下面板還具有搭載傳感器模塊以及控制芯片的作用。掛載板通過連接桿和腳架一起連接在一起，而腳架起支撐整個機身的作用，特別是在四旋翼飛行器降落時起減震的作用。圖3為掛載板和腳架的結構，并且為減輕機身重量進行了鏤空處理。

出于對減輕機身自重的考慮，采用了碳纖維作為機架的材質。作為小型飛行器，考慮到市面，飛行器的尺寸控制在500mm3×330mm3×330mm3左右。

2.2 三維模型

由于四軸飛行器的整體尺寸控制在500mm3×330mm3

330mm3左右，因此處于對角位置的兩電機中心的距離應在450mm左右，相鄰的兩電機中心的距離為390mm，所以將螺旋槳選型為1047。型號前兩位代表螺旋槳長度為10英寸，即254mm;后兩位代表螺距為47。

通過對機架的質量的計算，并考慮飛行器還帶有功能性模塊，估算其最大質量為2～3kg，由此得到升降運動時每個機翼所需要的最小升力，從而確定電機[4]。根據計算，本文所設計的飛行器選用朗宇Angel系列的A2212-980KV2-3S外轉子無刷電機，980KV代表無刷電機在1V電壓下轉速可達980r/min。

通過機架、螺旋槳、電機的建模、裝配，四軸飛行器的三維模型如圖4所示。

3 ?重要部件的ANSYS分析

由機架的整體結構可知，四軸飛行器本身質量并不大，零件強度完全足夠。但當其搭載云臺等輔助系統的時候，則需要對其進行一定的校核。

根據飛行器的最大估算質量（2～3kg），以此作為載荷條件，并對連接桿兩端施加約束，得到應力形變圖，如圖5所示。

由圖中可以看到連接桿所受最大應力為8MPa，最大形變量為0.05mm。查閱相關資料，可以得知6061鋁合金的極限抗拉強度為124 MPa，受拉屈服強度為55.2MPa，延展率為25%，在此受載的狀況下，完全滿足條件。

4 ?結語

本文通過對四軸飛行器的運動原理的分析，論述了一種具有航拍、緊急降落、陸空兩用等功能的教學用四軸飛行器的主體結構設計、建模及電機選擇，并利用ANSYS軟件，對飛行器受載危險部分進行了應力形變的分析，結果表明本設計具有一定的教學意義和實際應用價值。

參考文獻

[1] 姜香菊，曾幼涵，劉二林. 四旋翼飛行器帶速度補償的多回路PID位置跟蹤控制[J]. 測控技術，2017，36（4）：74-78.

[2] 劉浩蓬，龍長江，萬鵬，等. 植保四軸飛行器的模糊PID控制[J]. 農業工程學報，2015，31（1）：71-77.

[3] 劉杰. 四軸飛行器研究與設計[D]. 南京：南京郵電大學， 2013.

[4] 張琛. 直流無刷電動機原理及應用[M]. 北京：機械工業出版社， 2003.