四旋翼飛行器結構優化設計

周健康　張成茂　孫成通　曾憲平

【摘 要】四旋翼飛行器具備所有飛行器的優點，并且具備無人機造價低、可重復性強等特點，具有廣闊的應用前景。目前市場上大多數四旋翼飛行器具有結構外形不便于隨身攜帶，重量大等缺點。本文就四旋翼飛行器結構進行了設計，通過分析四旋翼飛行器結構特點和飛行原理，設計出機臂自動伸縮、機臂折疊機構和自動收放腳架，從而便于攜帶，降低飛行器重量，達到了良好的飛行效果。

【關鍵字】四旋翼飛行器；結構優化；自動伸縮機臂；機臂折疊；自動收放

中圖分類號： V275.1 文獻標識碼： A 文章編號：2095-2457（2018）08-0030-002

Four-rotorcraft structure optimization design

ZHOU Jian-kang1 ZHANG Cheng-mao1 SUN Cheng-tong1 ZENG Xian-ping2

（1.College of Mechanical and Vehicle Engineering， Linyi University， Linyi， Shandong 276000， China；

2.Linyi Sports School， Shandong Linfen 276000， China）

【Abstract】Four-rotor aircraft has the advantages of all aircraft， and it has the characteristics of low cost and high repeatability of drones， and has broad application prospects. At present， most quadrotor aircrafts on the market have the disadvantages of structural shapes that are not easy to carry around and are heavy. In this paper， the structure of the quadrotor is designed. By analyzing the structural characteristics and flight principles of the quadrotor， the boom is automatically retracted， the arm folding mechanism and the automatic tripod are designed， so that it is easy to carry and the weight of the aircraft is reduced. Flight effect.

【Key words】Four-rotor aircraft； Structural optimization； Automatic telescopic arm； Arm folding； Automatic retraction

四旋翼無人飛行器只需改變四個電機的轉速即可實現飛行器的飛行姿態控制，機動靈活，同時四旋翼飛行器具有較高的操控性能，可以在小范圍內起飛，懸停，接近目標，具有良好的軍事偵察、搜索救援性能，但四旋翼無人飛行器結構外形復雜，不便攜帶，限制了其在特種偵察，搜索救援等領域的應用。研發一種結構優化的飛行器，具有迫切的需求和前景廣闊的市場。本文對四旋翼飛行器結構進行三方面的設計。

1 機臂伸縮裝置的設計

本項目研究的目標之一就是設計出尺寸較小、方便攜帶的四旋翼機臂。機臂伸縮機構由螺桿、圓錐齒輪、異步電機、圓柱滾子軸承、固定螺母及內、外伸縮桿構成。單個圓錐齒輪與電機輸出軸相連，四個一組圓錐齒輪分別和四根螺桿相連，螺母固定在內伸縮桿里端，圓柱滾子軸承固定在外伸縮桿里端，保持內外伸縮桿沿直線傳動，遙控器發射伸縮指令，由飛行控制系統控制異步電機正轉，帶動單個圓錐齒輪轉動，通過齒輪傳導帶動四個一組圓錐齒輪轉動，使四根螺桿轉動，四根內伸縮桿同時向內收縮，同理，異步電機反轉使四根內伸縮桿同時外伸。機臂伸縮結構具體設計尺寸見表1.機臂伸縮裝置如圖1.

2 機臂折疊設計

為了減少放置四旋翼飛行器的空間，設計出機臂折疊裝置。目前常規四旋翼飛行器的折疊裝置由卡槽、中央槳盤上下層、機臂組成，螺栓連接機臂與上下層板，螺栓的旋轉從而使機臂旋轉固定到卡槽。隨著旋轉次數的增加會使螺栓強度下降產生斷裂，為了解決這一問題，設計出新的機臂折疊裝置。機臂折疊機構由導軌、卡槽、圓錐齒輪、固定桿組成。卡槽固定在中央槳盤之間。機臂未展開時，通過兩相對圓錐齒輪、導軌固定機臂。展開時，固定桿繞導軌運動，圓錐齒輪嚙合，卡槽卡死固定桿，完成折疊過程。機臂折疊裝置CATIA模型如圖2.

3 自動收放腳架設計

為了優化四旋翼的結構，設計出了簡易自動收放腳架。該簡易自動收放腳架可以由舵機控制板、兩個銀燕12g金屬舵機、和機械裝置裝成。舵機控制板由飛控供電，兩個舵機和舵機控制板連接，調節舵機控制板，使舵機旋轉符合收放腳架要求。通過螺絲連接使舵機、合頁、腳架固定。調節遙控器按鈕，實現空中飛行自動收放腳架的功能。自動收放腳架CATIA建模如圖3，自動收放腳架制作實體如圖4.

本文針對四旋翼飛行器結構設計不合理導致續攜帶困難、飛行效低率等問題，通過研究四旋翼飛行器的結構特點，從機臂伸縮、機臂折疊和自動收放腳架三個方面設計出攜帶方面、重量輕結構優化的四旋翼飛行器，從而飛行器達到較高的飛行效率。

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