基于機械陀螺儀旋翼飛行器改裝設計

郭子豪 張玥 孟慶然 李廣杰

【摘 要】通過機械結構的設計將傳統的四旋翼轉向裝置進行改進，將傳統四旋翼依靠旋翼差速轉向的機制改成依靠內部機械結構改變方向。同時旋翼只提供支撐飛行器自身的升力，對控制系統的要求降低，簡化了控制程序，同時通過機械結構的改變，使得內部環境更加的穩定，提升了旋翼機抗逆性。

【關鍵詞】四旋翼；機械陀螺儀；程序簡化；提升穩定性

隨著微電子技術的發展，越來越多的人開始對旋翼機進行研究和使用，但旋翼飛行器的動力學模型，是一個欠驅動、多變量、強耦合、非線性和不確定等特征。目前國際上對旋翼機的程序控制已經形成完整的理論體系，但是現有的無人機控制程序相對復雜，不利于個人的研究使用。

本文針對四旋翼現存的問題，提出一種新型的四旋翼結構及轉向控制。

一、設計思路

現階段的四旋翼是依靠旋翼的差速來實現機身的旋轉，導致操控是比較困難的，因此需要生產商對旋翼機的轉向進行優化，本文提出的設計中，將轉向裝置與動力系統分離，在此基礎上實行模塊化控制。

同時，將傳統的機械陀螺儀加入機身的結構設計。旋翼作為動力裝置與轉向裝置分離達到簡化程序的目的。

二、結構設計

（一）機械部分設計簡述

通過對各自由度的陀螺儀的研究，利用陀螺儀的定軸性進行四旋翼的機械部分設計。

利用機械陀螺儀對內部轉子空間位置具有穩定作用這一性質，將控制系統和能源部分的結構進行設計優化。將二者集成在一起制作形成四旋翼內層的轉子，與外部的四個螺旋槳形成不同的機體結構層。

（二）機身與機械陀螺儀的轉化

通過對機械陀螺儀的結構分析，可以發現，若想要陀螺儀中間轉子保持自己的運動，至少需要三個自由度的運動補償。當旋翼機在空中懸停并保持穩定的時候，可以將四個旋翼及固定的機架看成機械陀螺儀的外部環。

同時對機身部分的結構進行改變，將重要電子部件和電源等結構集成到機身內部，同時對機身結構進行改變，在機身內部加入分離層，與固定機架形成完整的陀螺儀結構。（圖3）三、動力設計

針對動力的提供，采用“Y8”的電機布置。即采用四反方向旋轉的共軸電機。

通過犧牲20%-30%的效率，保證每一組電機的穩定性，同時也不需要相鄰兩組旋翼相互抵消因旋翼高速轉動產生的機身反向旋轉。

四、飛行控制設設計

通過對四旋翼結構的改變，四旋翼的每個方向都可以作為前進方向，換而言之，改變結構后的四旋翼四個主方向完全一致。

因此，在四旋翼的飛行操控上可以大大減少程序的控制，通過機械和程序相結合的控制方式，能夠更加簡單的進行方向的控制。

如圖5所示，只需要同時改變四對旋翼的方向，并保證方向的改變相同，便可將四旋翼在懸停狀態下只產生豎直方向升力的平衡狀態改變，進而向某一方向前進。（旋翼在不同角度的轉速依據四旋翼質量確定）

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