基于SolidWorks的小型四旋翼無人機設計及仿真

楊學文，馬瑞陽，李志藝

(中國民用航空飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢 618307)

0 引言

隨著無人機技術的快速發展，其在無人機航拍、電力巡檢、環境監測及災后救援等領域得到廣泛的應用。為了使無人機的飛行性能和任務性能達到一定的目標，所以大部分無人機的結構都需要進行一定的調整，以滿足結構布局和控制系統、動力系統及通訊系統之間相互協調。良好的布局設計可以有效地提高無人機的空間利用率及日常維護的便捷性。參考市面上大部分小型消費級無人機的布局設計，考慮到對虛擬裝配訓練的教學性，本文采用具有良好飛行穩定性和機動性的X構型無人機整機布局方案[1]，對無人機各零部件的建模、虛擬裝配以及運動仿真[2]過程進行詳細介紹。

1 無人機結構設計

小型四旋翼無人機結構一般由機身、機臂、電機和轉子葉片4個部分組成[3]。本文對無人機中心板和配電板(組成機身)、機臂及其他部件(電機、轉子葉片及連接部件等)進行了設計。

1.1 中心板設計

中心板分為中心頂板和中心底板，是無人機的主要承力部件，它可以承載單片機、配電板、攝像頭、任務倉和電池等飛行控制元件和任務組件[4]，并在飛行和降落時對各部件起到一定的保護作用。根據中心板的性能特點和要求，利用SolidWorks對中心板進行三維建模，對非承力部分進行切除減重和結構設計優化，以便于其他模塊化部件的安裝和拆卸。設計的中心板如圖1所示，中心設計4個Φ8的孔用于固定配電板，周圍設計8個Φ3.2的孔通過機臂連接中心頂板和中心底板。中心頂板和中心底板的尺寸均為72 mm×72 mm。

圖1 中心板

1.2 配電板設計

配電板分為配電板底板和配電板頂板，主要用于承載單片機和電池等飛行控制元件。配電板結構設計如圖2所示，配電板底板設計了4個Φ6的連接孔，通過螺栓固定于中心底板上。配電板頂板也設計了4個Φ6的連接孔，采用螺栓通過定位套筒與配電板底板相連。配電板邊緣均設計了器件連接接口位，配電板尺寸為36 mm×36 mm。

圖2 配電板

1.3 機臂設計

機臂[5]為無人機的主要傳力構件，當無人機工作時，機臂上安裝的電機帶動轉子葉片工作，轉子葉片轉動時產生升力，帶動機臂向上運動，機臂與中心板間通過螺栓螺母進行連接，承受一定的彎矩和剪切應力。由于四旋翼無人機是一種欠驅動系統[6]，其主要運動狀態有垂直運動、俯仰運動、滾轉運動、前后運動和側向運動5個，但只有4個電機進行力的輸入，因此在飛行時，對機臂的結構強度要求較高。機臂的結構如圖3所示，機臂左側設計了2個Φ8的連接孔，與中心板間使用2個螺栓進行緊配合連接，同時設置了加強筋對連接處的強度進行加強；機臂右端設計了1個Φ6的中心定位孔和3個Φ4的固定孔，電機通過中心定位孔定位，通過周圍3個固定孔固定在機臂的右端。中段采用邊長為6.6 mm的等邊三角形摳除材料，形成人字形結構對機臂強度進行加強，同時達到了減輕無人機整體重量的目的。機臂整體尺寸為94 mm×12 mm×20 mm。

圖3 機臂

1.4 其他部件的設計

對無人機電機、轉子葉片以及連接部件等進行了設計，如圖4所示。

圖4 其他部件設計

2 無人機結構虛擬裝配

零部件的裝配是生成工程圖以及運動仿真分析的基礎，無人機的裝配采用自下而上的裝配方式[7]，即將創建的零部件一一導入裝配體中，在零部件間插入配合關系來調整它們在零部件中的位置和方向。本文結合裝配流程(如圖5所示)對無人機裝配方法和步驟進行詳細介紹。

圖5 裝配流程

按照裝配流程進行裝配：

(1) 打開SolidWorks并新建裝配體文件。

(2) 點擊插入新零件，放置第一個零件“中心底板”，插入第一個零件作為裝配的基準，默認位置是固定的。

(3) 插入零件“機臂”，將其放置于合適位置，點擊“配合”按鈕，在“中心底板”和“機臂”間建立2個“同軸心”和1個“重合”的配合關系。

(4) 插入零件“電機”，點擊“配合”按鈕，在“電機”和“機臂”之間創建兩個2個“同軸心”和1個“重合”的配合關系。

(5) 插入3個零件“螺柱”，在“螺柱”和“機臂”之間創建1個“同軸心”和1個“重合”的配合關系。

(6) 插入零件“轉子葉片”點擊配合按鈕，在“電機”和“轉子葉片”之間創建1個“同軸心”和1個“重合”的配合關系。

(7) 插入“螺母”點擊配合按鈕，在“轉子葉片”和“螺母”間創建1個“同軸心”和1個“重合”的配合關系。完成以上7個步驟得到裝配圖1，如圖6所示。

(8) 重復步驟(3)～(7)，完成其余3個機臂、電機、轉子葉片的裝配。裝配效果如圖7所示。

圖6 裝配圖1 圖7 裝配圖2

(9) 插入零件“配電板底板”將其放置合適位置，點擊“配合”按鈕，在“中心底板”和“配電板底板”之間創建2個“同軸心”和1個“重合”的配合關系。

(10) 插入零件“配電板支撐套筒”(4個)，點擊“配合”按鈕，在“配電板支撐套筒”和“配電板底板”之間創建1個“同軸心”和1個“重合”的配合關系。

(11) 插入零件“配電板頂板”，點擊“配合”按鈕，在“配電板頂板”和“配電板支撐套筒”之間創建2個“同軸心”和1個“重合”的配合關系。至此完成配電板的安裝，裝配效果如圖8所示。

(12) 插入零件“中心頂板”，點擊“配合”按鈕，在“中心頂板”和4個“機臂”之間創建4個“同軸心”和1個“重合”的配合關系。在整個裝配過程中“螺栓”和“螺母”的安裝均采用“同軸心”和“重合”配合關系。至此，無人機虛擬安裝結束。無人機整體安裝效果如圖9所示。

圖8 裝配圖3 圖9 無人機整體安裝效果

完成無人機虛擬裝配后，利用虛擬裝配中的干涉檢驗[8]和質量屬性等對模型進行一個直觀的顯示，并對其進行校驗，對產生裝配錯誤的部件進行修改和調整，以滿足無人機模型的設計要求。

3 無人機運動仿真

無人機運動仿真[9]，主要是為了生成以下動畫效果：無人機四旋翼(轉子葉片)在電機驅動下進行旋轉運動產生升力，帶動無人機機體向上運動。在裝配體模式下，實現4個轉子葉片的旋轉運動仿真，具體實現如下：點擊工具菜單欄下“插入”命令，然后點擊“新建運動算例”，在運動算例中點擊“馬達”按鈕，選擇“旋轉馬達”，再選擇模型中需要旋轉的零件“轉子葉片”作為旋轉部件，選擇“電機”作為旋轉參考，再設置運動為等速轉動，轉速為100 r/min，完成“馬達”設置，返回主界面拖動時間軸到20 s處。點擊播放，完成一個轉子葉片的旋轉運動仿真。重復以上步驟，再設置3個“馬達”，完成其余3個轉子葉片的旋轉運動仿真。馬達設置如圖10所示，無人機轉子葉片轉動如圖11所示。

圖10 馬達設置

圖11 無人機轉子葉片轉動

為實現無人機的上升運動仿真，需設置一個參考平面，點擊“插入零部件”命令插入參考平面，點擊“配合”按鈕，在參考平面和無人機裝配模型之間創建一個“平行”和“重合”的配合關系；然后點擊“新建運動算

例”，在“運動算例”中拖動“時間軸”至14.1 s處，之后在模型界面拖動模型向上運動500 mm。點擊播放按鈕，即可實現無人機裝配模型上升的運動仿真。動畫設置界面如圖12所示。

圖12 動畫設置界面

由于轉子葉片的轉動產生升力，無人機向上運動，上升運動仿真效果如圖13所示。

圖13 無人機上升運動仿真效果

4 結語

本文基于SolidWorks三維建模軟件，完成了小型四旋翼無人機的結構設計、裝配及運動仿真。仿真結果生動形象，為教師制作出精美的虛擬教學模型，使得學生可以直觀地對無人機的復雜結構、精密模塊等進行深入式的學習，也為SolidWorks軟件的學習者提供了有效參考。