智能飛行器的結構設計

張濤然

摘 要：本文研究的課題所選用的是四軸飛行器，其螺旋槳與電機直接相連而且是在同一水平高度上對稱分布，且螺旋槳的形狀尺寸完全一樣，螺旋槳支架端的電機為整個飛行器提供穩定運行的能量。相鄰的螺旋槳旋轉方向采用反向結構，這種結構設計能均衡飛行器運行時產生的力矩，避免出現旋翼在空中打轉的情況。

關鍵詞：多旋翼飛行器;旋翼;應急裝置;飛行控制

中圖分類號：V423文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）26-0122-02

1 智能飛行器的現實意義

智能飛行器是一種科技含量特別高的飛行設備，軍事上用于對敵方進行偵察以及進行一些必要的破壞。近年來，飛行器的應用范圍越來越大，被廣泛用于人員搜救、物資運輸、航拍等。更高端的飛行器還可以對太空資源進行開發和利用，甚至還能進行一些相關試驗。

2 智能飛行器的飛行原理

四旋翼飛行器是現階段應用最為普遍的一種飛行器，以控制螺旋槳的轉動速度來實現飛行器在地面、低空、高空三種方位的升降起落，其體積小質量輕，在軍事監控、工程測量、航空拍攝等范疇的應用也非常普遍[1]。4個旋翼之間是動態平衡的結構，根據飛行器實時飛行狀態的變化和接收到的遙控信號調整4個旋翼的電機轉速，4個旋翼產生向上的升力與整個飛行器的重力相等時，飛行器力矩和為零，從而能實現懸停[2]。

螺旋槳的單軸槳葉是采用正反對稱的布置形式，其原理和竹蜻蜓類似，控制每個螺旋槳的轉速就能實現懸停、自由移動等操作。螺旋槳的轉動為飛行器運行提供升力，相鄰的螺旋槳旋轉方向相反，這樣就可以防止旋翼在空中不穩定運行。螺旋槳的轉動方向如圖1所示。

3 智能飛行器的飛行方式

四軸飛行器的飛行方式如圖2所示。從圖2可知，四軸飛行器主要由旋翼、螺旋臂、主體支撐架和飛行控制器等組成。

飛行器的飛行方式及其飛行原理有以下幾種。

①垂直運動。確保旋翼上的電機轉速不變，旋翼產生的升力和整個飛行器的重力相等，就能實現懸停。當4個電機轉速的變化量相同，4個旋翼產生的升力就會發生相應變化，機身沿z軸運動，實現垂直運動。

②前后運動。確保旋翼的力矩之和為零，電機2和電機4的轉速不變，電機1和電機3的轉速的改變量不相等且方向相反，旋翼1和旋翼3就會產生前后的拉力，機身沿y軸運動，實現前后運動[3]。

③偏向運動。電機1和電機3與電機2和電機4的轉速改變量相反，旋翼1和旋翼3與旋翼2和旋翼4的反扭矩不相等，機身繞z軸轉動，實現偏航運動。

④側向運動。確保各旋翼力矩之和等于零，電機1和電機3的轉速不變，改變電機2和電機4的轉速，改變量方向相反且不相等，旋翼2和旋翼4將會產生側向拉力，機身沿x軸運動，實現側向運動。

⑤翻滾運動。確保電機1和電機3的轉速不變，改變電機2和電機4的轉速，改變量大小相等方向相反，旋翼2和旋翼4將會產生不平衡力矩，機身繞y軸轉動，實現翻滾運動。

⑥俯仰運動。確保電機2和電機4的轉速不變，改變電機1和電機3的轉速，改變量大小和方向均相同，旋翼1和旋翼3將會產生不平衡的力矩，機身繞x軸轉動，實現俯仰運動[4]。

4 智能飛行器的結構組成

智能飛行器的結構包括懸翼結構、控制結構、機架結構、攝像機云臺和機身結構[5]。

4.1 懸翼結構

采用的是X型旋翼，結構如圖3所示。在飛旋翼的末端有正反螺旋槳、固定配件及控制螺槳葉旋轉的電機等其他零部件。4個螺旋槳的旋轉能產生足以支撐飛行器飛行的升力，能提高飛行器的負載能力，螺旋支架數量越多，負載能力越大，但螺旋支架越多越難控制。

4.2 控制結構

控制結構固定在四軸的中心，主要由控制器和遙控接收等部分組成。控制中心的電路元件模塊發送指令控制無刷電機的轉動，從而控制緊急降落裝置的運行。

4.3 機架結構

機架結構用于固定旋翼、緊急降落裝置和飛行控制器等其他零部件，結構如圖4所示。

4.4 攝像機云臺

攝像機云臺的結構設計不但要穩固攝像機，還要不影響攝像機工作，結構如圖5所示。

4.5 機身結構

旋翼臂的螺旋槳對稱分布且處于同一水平面，旋翼臂的中心處安放飛行器控制部分，使整個四軸飛行器重心保持穩定，四軸飛行器結構是對稱形式，減小了整體設計的工作量。整體結構如圖6所示。

5 結語

近年來，智能飛行器逐漸被應用于各個領域。為此，本文主要分析智能飛行器的飛行原理、飛行方式及其結構，以期為進一步優化智能飛行器提供借鑒。

參考文獻：

[1]江斌.小型四旋翼低空無人飛行器綜合設計[D].杭州：浙江大學，2013.

[2]王柳文.微型飛行器自主控制系統的研究及設計[D].南京：南京航空航天大學，2002.

[3]任玉燦，馬軼群.兩種標準直齒圓柱齒輪傳動設計方法的比較[J].河北建筑工程學院學報，2009（1）：73-76.

[4]高紅立，李亞，蔣亞飛，等.四軸飛行器的控制與設計[J].電子世界，2017（7）：134.

[5]方璇，鐘伯成.四旋翼飛行器的研究與應用[J].上海工程技術大學學報，2015（2）：113-118.