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四翼火情探測無人機設計
摘要
四軸飛行器目前屬于火熱的可垂直起落的飛行器，具有結構簡單、動力強大、可用的行業(yè)范圍大并且飛行時可靠性高，各種專業(yè)程度高的飛行器被各行各業(yè)所喜愛，因此，主流研究其專業(yè)化越來越密切。本文所設的無人機乃用于觀察森林里的火情，是專行專業(yè)使用的。
本文對四軸飛行器的機構與原理先行分析，主要是設計四軸飛行器的結構部分，通過對機架里的主板、力臂與起落架等機械結構設計，選擇合理的碳纖維復合材料來構造機架，通過三維軟件來建模，組成一個四軸飛行器的機架，對于云臺機械結構的設計分析，利用齒輪減速機構來細分轉動角度，通過支架來支撐攝像機。
敘述了森林火情探測的四軸飛行器的設計過程，從動力部分、結構部分到控制部分。
關鍵詞 四軸；飛行器；結構設計；碳纖維；機架；云臺
Abstract
Four aircraft at present belongs to the hot axis can be vertical take-off and landing aircraft, has the advantages of simple structure, power strong, the available industry when flying range and high reliability, high degree of professional aircraft is enjoyed by all walks of life, therefore, the mainstream study its specialization is more and more closely. The uav used in this paper is used to observe the fire in the forest.
Four axis in this paper, the analysis of the mechanism and principle of aircraft, mainly design of aircraft structure parts, four axis through the frame in the motherboard, lever and the landing gear and other mechanical structure design, selecting rational carbon fiber composite materials to construct the frame, through 3 d software modeling, composed of a vehicle frame, four axis for head machinery design and analysis of the structure, gear reduction mechanism is used to segment the rotation Angle, through a bracket to support the camera.
This paper describes the design process of the four-axis aircraft in forest fire detection, from the power part, the structure part to the control part.
Keywords our-axis aircraft structural design carbon fiber rack head
34
目 錄
摘要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1課題研究的背景及意義 1
1.1.1課題研究的背景 1
1.1.2課題研究的意義 1
1.2四軸飛行器的發(fā)展的狀況 2
1.3本課題的主要研究的問題以及各章安排 5
1.4四軸飛行器的結構形式 5
1.5四軸飛行器的飛行原理 6
2動力系統(tǒng)設計 8
2.1起飛重量的確定 8
2.2電機方案與選擇 8
2.3螺旋槳的選擇 9
2.4推重比的確定 9
2.5電池的選擇 11
2.6電調的選擇 12
2.7電池充電器的選擇 13
3機架結構設計 14
3.1機架結構的方案與選擇 14
3.2機架材料的選擇 15
3.3主板的設計 17
3.4力臂的設計 17
3.5起落架的設計 18
3.6電機底座的設計 19
4云臺結構設計 21
4.1云臺結構的方案與選擇 21
4.2減速器設計 21
4.2.1X軸上的減速器設計 21
4.2.2Z軸減速器設計 23
4.3軸的設計 24
4.3.1X軸的設計 24
4.3.2Z軸的設計 24
4.4軸承的選擇 25
4.4.1X軸軸承的選擇 25
4.4.2Z軸軸承的選擇 25
5控制系統(tǒng)設計 26
5.1飛控系統(tǒng)的設計 26
5.2無線數據傳輸路的設計 29
5.3總體控制系統(tǒng)的設計 30
結論 32
致謝 33
參考文獻 34
1 緒論
1.1課題研究的背景及意義
1.1.1課題研究的背景
無人機分為固定翼無人機和旋翼無人機兩大類。在過去幾十年里固定翼無人機獲得了迅速的發(fā)展并形成了成熟的技術線路，曾在美軍海灣戰(zhàn)爭中扮演了重要角色，充分展示了無人機在軍事領域中的突出優(yōu)勢。與固定翼無人機相比，旋翼無人機擁有獨特的優(yōu)點：（1）可垂直起降，不受起飛降落場地限制；（2）受環(huán)境影響小，可在復雜環(huán)境條件下作業(yè)；（3）操縱靈活、機動性強，可滿足不同飛行工況要求。由于旋翼無人機的控制原理較固定翼復雜，難以實現旋翼無人機飛行姿態(tài)的自主控制，使得旋翼無人機的發(fā)展較為遲緩。近十幾年來隨著先進材料技術、無線通訊技術、控制科學、數字信號處理技術等的不斷發(fā)展，使得旋翼無人機的開發(fā)和研制有了重大突破。
飛行器可用于民用行業(yè)、滿足國防需求，還可以開發(fā)和利用太空資源、進行太空操作和相關試驗等，因此國內外對飛行器進行了大量的研究。飛行器里面的有一個特殊存在的飛機有四軸飛行器，它的其他名字有叫四旋翼。也被稱為四軸。它的螺旋槳與電機是直接簡單聯系，并且結構形式簡潔。
當前四軸飛行器主流還是消費級的產品，眾多飛行愛好者是其擁有的主力軍。現在四軸飛行器大量是用于航拍的。目前有許多優(yōu)秀的無人機公司對四軸飛行器的發(fā)展不僅僅是它的硬件的升級或者是換代，越來越多的工業(yè)級，農用級和民用級等等的四軸飛行器的發(fā)布與研究，未來的四軸飛行器的發(fā)展方向朝著專業(yè)化分類，做到物盡其用，術有專攻。針對這個發(fā)展趨勢，利用現有的研究結果來設計用于森林火情探測的四軸飛行器，設計它的機械部分的結構，合理的根據現有的控制板來裝配，并且設計四軸飛行器的云臺結構部分，豐富四軸的功能。因此研究開發(fā)新型的四軸飛行器具有重大的現實意義。
1.1.2課題研究的意義
本文主要研究的是四軸飛行器的結構，它的應用的地方是森林火情的探測?，F在的四軸飛行器種類多，很多公司都開發(fā)了自己的四軸飛行器。缺點與優(yōu)點是共同存在的。本文設計的四軸飛行器除了自身的結構外面，還要搭載視頻相機與熱成像機，通過參考市場上的類似的四軸飛行器來設計與研究。本文通過經驗來確定本四軸飛行器帶來的載荷，從而來敲定四軸飛行器的電機需要用的動力，根據這個來選擇市面上符合要求的動力系統(tǒng)里的各種裝置，以達到匹配并且不會浪費。再根據已經確定的螺旋槳的尺寸來通過經驗公式大體的求得四軸飛行器的軸距，四軸飛行器的機架的設計及里面的主板的設計，力臂的設計和起落架等等，根據軸距來確定基本尺寸。使用三維軟件把設計的機架各部分來進行建模，再把這些零件組裝起來展示。這些硬件結構有了，還要有軟件來支撐，這樣四軸飛行器的設計才能完整。本文選擇了現有的市場上的優(yōu)秀的飛控系統(tǒng)模塊的選擇，選配適合本文的飛行器，還有各種有效且優(yōu)良的遙控器等等模塊。使得控制系統(tǒng)完善，便于飛行器的應用。
本文是對于四軸飛行器結構的設計，用以確定機架各部分的樣式與尺寸，搭合理的動力系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。設計了云臺的結構部分，使其能夠完成拍攝角度的調動。可以參考那同類型的四軸飛行器，對自己的四軸飛行器進行改良與設計作為基礎。
1.2四軸飛行器的發(fā)展的狀況
四軸飛行器的發(fā)展有歷史可以看見，它的發(fā)跡史也是很有意思的。
(1)1922年由Bothezat研發(fā)而來的四軸飛行器“飛天章魚”如圖1.1所展現的，其目的是因為美軍的請求而開發(fā)的，美軍想要能夠完成垂直起落的四軸飛行器，他們直接使用原來的大小的飛行器。這個“飛天章魚”身材巨大，通過180HP給與的動力來向天空飛行。早期的薄弱技術支撐只是讓它在這自由的天空中呆了60秒，其到達的高度緊緊為15.24cm的距離。但是這個舉動為未來的四軸飛行器的發(fā)展埋下基石，未來的飛行器更加優(yōu)秀。
圖1-1 Bothezat的“飛天章魚”
(2)1950年以后，美國陸軍沒有放棄對飛行器的垂直起落的研究與發(fā)展，他們又開始研究起來，不斷的邀請各種優(yōu)秀的專業(yè)人員與行業(yè)進來。Curtiss-Wright 公司為美軍提供技術支撐與研究，并且加入了“會飛的吉普車”飛行器計劃。公司由此研究開發(fā)了VZ-7，如圖1.2所示。這個產品在1958年中交給了美軍使用。VZ-7設置有一個機身和飛行員的座位，并且有了油箱和飛行控制。在機身的兩側旁邊那，飛行器的螺旋槳全部是沒有蓋子保護的的(飛行器上一開始布置了有裹尸布，然而后期被要求給取消掉了)。飛行器它有四個螺旋槳。VZ-7的控制原理是通過改變每個螺旋槳的推力的大小。這架四旋翼飛行器同樣具有龐大的體積，需要的較大的升力，其每個旋翼直徑達8米，有6片槳葉，整機重量超過1600kg。其中，由一個發(fā)動機帶動的四個旋翼又可以實現單獨控制，正因如此，這架四旋翼飛行器實現了升力和姿態(tài)的控制，到1923年年底，以低高度成功試飛了大約100次。但因為整機成本太高，操作復雜和等因素，使得本來支持研發(fā)的美國軍方也對其喪失了研究興趣。雖然美軍的計劃并沒有因為這個產品而得到解決，但是這個產品的出現使得美軍的計劃有了明確的未來和發(fā)展。
圖1-2 Curtiss-Wright的VZ-7
(3)在1990年的早期，美國工程師Mike Dammar設計的四軸飛行器，它是由電池這個能源來提供電力的，它叫做Draganflyer,如圖1.3所示。也被稱為四軸飛行器的第一代，它為四軸飛行器的未來發(fā)展證明了對的方向，未來四軸飛行器得到了大力發(fā)展，各種四軸飛行器應運而生。
圖1-3 Draganflyer四軸飛行器
(4)2010年后，由Parrot設計的四軸飛行器，它叫AR.Drone，如圖1.4所示。它可以通過蘋果的IOS系統(tǒng)的連接WiFi的電子產品來實現遙控能力。它還搭配了許多個傳感器模塊，包涵了前置，直立式攝像機頭與超聲波發(fā)生器。還有三軸加速計與陀螺儀。法國 Parrot 無人機公司是目前國際上主流的幾家無人機公司之一。其開發(fā)的四旋翼無人機以可使用i Pad、iPhone、iPod Touch上的軟件對其進行控制見長，可基于自身發(fā)出的Wi-Fi信號進行操控。攝像而得的畫面會實時傳送到顯示屏上。自動駕駛儀可輕松實現起飛和降落。當它與敵人在房間里面埋伏時發(fā)生戰(zhàn)斗，整個外殼將保護它免受沖擊。AR.Drone由碳纖維和高耐PA66 塑料制成。所有部件均可替換，以便簡單快速維修。但是當時只是定位為一種高科技玩具。輕便、靈活、安全、控制簡單等優(yōu)秀的性能，致使它開始流行，這也帶動了四旋翼飛行器的發(fā)展。在類似玩具中，四旋翼飛行器的優(yōu)勢明顯，相比于尺寸相同的固定翼其飛行更加穩(wěn)定，而相比于尺寸相同的直升機其結構簡單成本低。它也就是四軸飛行器進步的階梯以及漸完美的體現。
圖1-4 Parrot的AR.Drone
(5)2013年，國內大疆設計的Phantom，如圖1.5所示 ，這是DJI首款可用于空中拍攝的小型Ready-to-Fly垂直起降、一體化多旋翼飛行器，它不僅具有精美外觀，還擁有DJI專業(yè)飛控系統(tǒng)的核心——集成了高壽命、穩(wěn)定的飛行動力系統(tǒng)，Naza-M+GPS多旋翼飛控系統(tǒng)，并配置定制的無線電遙控系統(tǒng)，在出廠前已經設置并調試所有的飛行參數及功能。其免安裝、免調試，可以實現即刻飛行；易操作、易維護，讓穩(wěn)定飛行和趣味航拍輕而易舉。
圖1-5 大疆的Phantom
(6)廣州極飛科技有限公司于2018年設計的P30型植保機，如圖1.6所示，它裝了最新型的SUPERX3 RTK 智能化飛控系統(tǒng)和XAI 農業(yè)引擎，P30擁有先進的工業(yè)設計，強大的力量裝置與超高的防水能力，重新定義無人機行業(yè)的技術界限。傳承極飛X的美學血脈，一體化的機身主板，封閉式的航電艙體的構造，流線型氣動布局。P 系列無人機材料學的造詣，將碳鋁復合技術發(fā)揮到最完美的地方，搭載SUPERX3 RTK 智能飛控系統(tǒng)，P30的防水性能達到了前所未有的IP65級。對于在于專業(yè)的領域里面使用四軸飛行器而言是至關重要的，用于未來四軸飛行器發(fā)展的行業(yè)正在增加。隨著越來越多的行業(yè)的涉足，將利于四軸的專業(yè)服務于各個行業(yè)。
圖1-6 極飛的P30
對于四軸飛行器的歷史來看它的發(fā)展，它的市場價值有目共睹的，它的各項性能的發(fā)展也是越來越優(yōu)秀，由此可以看出來在以后的社會，無人機的發(fā)展與應有將會有新的機遇。
1.3本課題的主要研究的問題以及各章安排
本文主要是研究設計用于森林火情探測的四軸飛行器，此四軸飛行器能幫助消防員快速探查森林里的火源，并且它能夠在安全區(qū)域對火災現場進行實時監(jiān)控。 攜帶的相機設備讓消防隊更清晰觀測火勢蔓延路徑，并評估可能出現危險的區(qū)域，指揮者可因這個來提前布局，以應對火情的蔓延，能夠使其的決策更加有效率?？梢酝ㄟ^攜帶的相應設備，讓消防員可通過紅外圖像識別濃煙中隱藏的熱點及火源。四軸飛行器的使用，讓消防隊能更細致的監(jiān)控現場環(huán)境，得到更多的信息?？萍甲屜绬T及時獲取火場關鍵信息，并在最短時間內做出判斷。通過對四軸飛行器的基本參數先行確定，再根據這個了選擇確定電機的型號與大小。動力系統(tǒng)的確定，再根據這個來設計四軸飛行器的機架結構，通過三維軟件來建模，來展示四軸飛行器的具體外形和結構。云臺的結構設計，其可以二軸轉動，水平方向與垂直方向轉動，使得探測范圍靈活與變通。云臺與攝像設備的搭配使的能夠大范圍的觀察火情，再選擇優(yōu)秀可靠的控制系統(tǒng)里的部件，為了給無人機裝上靈魂與核心。這些東西能夠組成一個完整的四軸飛行器，并且能夠完成設計時的目的。
本論文共分為六章，每個章的安排如下：
第一章：課題研究的背景與意義和四軸飛行器的發(fā)展狀況以及結構形式與飛行原理
第二章：四軸飛行器的動力系統(tǒng)的設計，內部模塊的選型
第三章：四軸飛行器的機架結構的設計，內部各零件的設計
第四章：四軸飛行器的云臺結構的設計，內部各零件的設計
第五章：四軸飛行器的控制系統(tǒng)的設計，內部模塊的選型
第六章：總結
1.4四軸飛行器的結構形式
直升機在巧妙使用總距控制和周期變距控制之前，四旋翼結構被認為是一種最簡單和最直觀的穩(wěn)定控制形式。四軸飛行器的結構是最簡潔明了的安穩(wěn)堅牢的控制形式，這樣的形式需要一起同步的來操縱支配四個螺旋槳的運動參數。對于有人駕駛的操控來說是難于登天，因此，對于我們常見的大型的直升機來說，沒有這種多軸形式的。四軸飛行器的螺旋槳的能效率比較低，從個體上的螺旋槳增添拉力是及其有限制的。因此，使用多個螺旋槳的結構形式對于增加四軸飛行器的負載能力有十分有作用的。四旋翼飛行器采用四個旋翼作為飛行的直接動力源，旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結構和半徑都相同。螺旋槳1與螺旋槳3逆時針運動，螺旋槳2與螺旋槳4順時針運動，四個電機也是與螺旋槳相同的安裝方式，飛控板是安裝在主板中間，其結構形式如圖2.1所示。與直升機相比，四軸飛行器可以實現的飛行姿態(tài)較少，不過基本的前進、后退、平移等狀態(tài)都可以實現。但是四軸飛行器的機械結構遠遠比直升機簡單，維修和更換的開銷也非常小，這讓四軸飛行器有了比直升機更大的應用優(yōu)勢。
圖2-1 四軸飛行器的結構形式
1.5四軸飛行器的飛行原理
四軸飛行器的飛行原理，是用改變電機速度從而來改變螺旋槳的拉力，這樣便容易控制四軸飛行器的飛行姿態(tài)。因為飛行器的起落變化是通過螺旋槳的速度的改變，這樣就讓它的動力溫和，不會發(fā)生轉折，這樣便需要長久的控制法。四軸飛行器是一個在空間具有6個活動自由度（分別沿3個坐標軸作平移和旋轉動作），但是只有4個控制自由度（四個電機的轉速）的系統(tǒng)，因此被稱為欠驅動系統(tǒng)（只有當控制自由度等于活動自由度的時候才是完整驅動系統(tǒng)）。不過對于姿態(tài)控制本身（分別沿3個坐標軸作旋轉動作），它確實是完整驅動的。
四軸飛行器的飛行狀態(tài)如下種類，如圖2.2所示的飛行狀態(tài)圖。
1.上下飛行 通過電機電流的加大，同步提高四個螺旋槳的升力，四軸飛行器就會向上飛行;相反來說，四軸飛行器就會向下飛行。
2.前后飛行 通過改變四軸飛行器的仰俯角度，一旦四軸飛行器朝前面傾斜，那么重力與升力相互抵掉消除于垂直方向的分量。
3.左右飛行 通過改變四軸飛行器的滾轉角度，一旦四軸飛行器朝左右傾斜，那么重力與升力相互抵掉消除于垂直方向的分量。
4.仰俯飛行 四軸飛行器按自己的y軸轉動，飛行器在低頭飛行時，它的無刷電機1與2會降低自己的速度，在這個時候，電機3與4就會提高自己的速度，在這個情況下，四個螺旋槳的升力帶來的反扭矩之間依舊在它們之間抵掉消除。
5.滾動飛行 四軸飛行器按自己的x軸轉動，飛行器在滾動飛行時，它的無刷電機3與4會降低自己的速度，在這個時候，電機1與2就會提高自己的速度，在這個情況下，四個螺旋槳的升力帶來的反扭矩之間依舊在它們之間抵掉消除。
6.偏航飛行 四軸飛行器按照自己的z軸轉動，一旦電機1與3的速度被加大，那么同一時刻電機2與4就要把速度給降低下來。這種情況下螺旋槳提供的升力不會因為這樣而抵消它們的反扭矩的，這樣就會發(fā)生反扭矩的影響，朝順時針的扭矩就會產生向右偏航。
圖2-2 四軸的飛行狀態(tài)
2動力系統(tǒng)設計
2.1起飛重量的確定
設計的開始，第一步要明確四軸飛行器的應用方向和裝載質量。本文設計無人機的載重量一般來說有所裝配的探測設備等外攜帶物。本四軸飛行器是為了對森林火情的探測來服務的，其中含電池、飛控和用來探測的設備，估測質量有2000g，為以后可能要攜帶的設備特殊，其再增添200g，最后裝載質量是2200g。
起飛重量的敲定，在沒有其他的情況下，起飛重量相當于設計的重量。
四軸飛行器的起飛重量的計算公式：
（2-1）
式中 ——四軸飛行器應用裝載重量；
——四軸飛行器應用空重；
——四軸飛行器空機重量系數。
起飛重量的估測;首先確定應用裝載重量WPL。上文已經估測裝載質量為WPL=2200g，接著合理猜測個起飛重量的值WTO’。再按下面公式來計算WE的試看值WE’。查常見飛行器的相對重量統(tǒng)計值的表可得四軸飛行器的空機重量系數為0.38。先比較WE’和WE的值,再逐步增加WTO’的數值，每次增加100g，直到WE和WE’的數值較靠近。計算過程如下表3-1所示。
表3-1 計算過程表
WTO’
WE’
WE
3000
800
1140
3100
900
2480
3200
1000
1216
3300
1100
1254
3400
1200
1292
3500
1300
1330
3600
1400
1368
3700
1500
1406
如表3.1所示，當WTO’=3500g時，WE’與WE的數值最接近。所以四軸飛行器的起飛重量的估測值為3500g。
2.2電機方案與選擇
方案1：有刷電機的選擇，有刷電機歷史悠久，它具有很簡單的把電機工作掌握在自己有能力處理的范圍里，而且它工作時能穩(wěn)定的進行，不會出現大問題。它也能夠帶來巨大的轉矩從而在進行爬坡時能夠不吃力的進行，并且表現強。它的開啟能力是比無刷電機好很多，但是有刷電機里的齒輪很微細，而且工作時間久了就會受損零件，要想經常性工作，就要過一段時間來更換里面的刷子，這樣才能達到良好的應用體驗。
方案2：無刷電機的選擇，無刷電機不同于傳統(tǒng)形式的電機，它是通過電路板來控制改變無刷電機的各種工作狀態(tài)。它沒有了有刷電機的刷子的機械換相機構，這個導致沒有剛剛方案1的要更換刷子的問題，也就沒有了后期的開銷更換零件的問題，并且它也沒有用上減速器，齒輪式的取消造成了不再受動力損失的結果，從而提高電機的效率。但是它最明顯的缺點就是由于其特殊性，以及造價成本高，導致它的價格比傳統(tǒng)的電機高了太多。
最終參考各種資料，并且將兩種方案細微比較，最終敲定了第二種方案，采用無刷電機，因為四軸飛行器在空中飛行時需要不斷改變自身飛行情況，所以電機也要能夠完成同樣的變化，并且也要求了電機需要工作時間久和提供動力也是比較高。跟相同的電機，不同的KV值，用的螺旋槳也不一樣，每個電機都會有一個推薦的螺旋槳。相對于來說螺旋槳配得過小，不能發(fā)揮其最大推力；螺旋槳配得過大，電機會過熱，會使電機退磁，造成電機性能的永久下降。
電機最大動力應該是3500g，經過查各種資料，本文選用Tiger-MOTO的MN3508 KV580電機，如圖3.4所示。3508表示電機定子的直徑和高度。前面兩位是定子直徑，后面兩位是以毫米為單位的定子高度，KV580代表的是表示KV值是電機每1V電壓每分鐘的轉動速度，其在1V電壓時為580n/min，10V的電壓下是5800轉每分鐘的空轉轉速。
2.3螺旋槳的選擇
同一個型號的電機產品，也有不同的KV值，也會有推薦來搭配的螺旋槳，相對而言，螺旋槳太小，無法發(fā)揮最大推力；如果螺旋槳太大，電機就會過熱，會把電機給損壞掉了。上面已經選擇的電機，在其中推薦的配套的螺旋槳選用T-MOTOR的P13*4.4英寸碳纖槳，如圖3.5所示。正反槳各一對。其13代表槳的直徑是13英寸，也就是330.2mm，4.4代表的是螺距是4.4英寸，也就是111.76mm。螺旋槳參數如下表3.3所示。
查電機與螺旋槳匹配參數表格，如下表3.2可以得到單支P13x4.4漿提供的最大推力為1230g，那么可以來算，總四個螺旋槳能提供的總體升力為4920g。（1230*4=4920g）
2.4推重比的確定
推重比是動力裝置的推力與飛行器起飛重量的比值。對于四旋翼飛行器來說，推重比是非常重要的參數。推重比直接影響飛行器的性能。飛行器的推重比越大，加速越快，可以很快達到飛行器的最大速度。但是，如果推重比過大，電機、電調和電池都要選用參數較大的，這樣將導致起飛重量增大，所以推重比選擇適當大小即可。理論上，要使四旋翼飛行器能夠起飛，推重比最好能大于1。
推重比：4920/3500=1.41，推重比大于1，理論上，四軸飛行器可以做基本上所有的飛行動作。
表3-2 電機與螺旋槳匹配參數表
環(huán)境溫度
測試電壓環(huán)境
恒壓
編號
電壓
（V）
螺旋槳
油門
電流
（A）
功率
（W）
拉力
（G）
轉速
力效
（G/W)
電機溫度(℃)
MN3508
KV580
14.8
T-MOTOR
13*4.4CF
50%
2.2
32.56
360
4000
11.06
65%
4.2
62.16
600
5200
9.65
75%
6.1
90.28
770
5900
8.53
85%
8
118.40
910
6500
7.69
100%
9.6
142.08
1050
7000
7.39
50%
2.6
38.48
450
4000
11.69
43
65%
5
74.00
710
5200
9.59
75%
7
103.60
900
5700
8.69
85%
9.3
137.64
1120
6300
8.14
100%
11.3
167.24
1230
6600
7.35
50%
3.7
54.76
600
3800
10.96
55
65%
7
103.60
930
4600
8.98
75%
9.7
143.56
1150
4900
8.01
85%
12.9
190.92
1350
5700
7.07
100%
15.2
224.96
1520
6100
6.76
表3-3電機基本參數
螺旋槳型號
13*4.4（330.2mm*111.8mm）
使用環(huán)境溫度
-40℃-65℃
參考單片重量（g）
14.2g
保存溫度
-10℃-50℃
材質
碳纖+樹脂
保存濕度
<80%
表面處理工藝
打磨面
表現較佳轉速段
5000-8000轉/分鐘
屬性歸類
一體槳
極限拉力
4.5kg
表3-4 螺旋槳基本參數
電阻
110m?
槽極
12N14P
軸徑
4mm
電機尺寸
Φ41.8*26.5mm
矽鋼片外徑
35mm
矽鋼片高度
8mm
線號
18＃
線長
600mm
電機重量（含線）
103g
電機重量（不含線）
82g
支持鋰電
3-4S
空載電流
0.4A
最大功率
400W
最大電流
18A
圖3-4 電機圖
圖3-5 螺旋槳圖
2.5電池的選擇
電池容量的正確配置是四軸飛行器的飛行性能和續(xù)航有著重要的保證的前提，電池容量過于低時會直接導致四軸飛行器在空中執(zhí)行任務的時間，從而會影響火情探測過程，會引發(fā)嚴重后果。電池容量過于高時，它本身的重量也會增大，在滿足任務所需要的續(xù)航時間下，可以合理選質量較輕的。
由于四軸飛行器在飛行中有不同的飛行狀態(tài)，不同的狀態(tài)有著不同的功耗，導致不能明確確定總體的所需電量。探測火情時，四軸飛行器大部分處于懸停狀態(tài)下工作，所以采取懸停時電機功率來大體計算電池電流和容量。
本文最終來選定格氏的鋰電池，它的基本信息為6600mAh、4s、14.8V、35C。6600mAh，意味著電池可以放一小時的6.6A電流。35c代表這個電池最大的持續(xù)電流就是=6.6*35=231A。參數如下表3-6所示。
表3-6 電池的基本參數
電芯
格氏ACE鋰電芯
電芯組合方式
4S2P
容量
6600mAH
電壓
14.8V
持續(xù)放電倍率
35C
峰值放電倍率
70C
體積(近似數據，單位：毫米)
長
140
寬
85
厚
29
重量（近似數據，單位：克）
720
出線（近似數據，單位：毫米）
出線接口
xt60主電力線頭、4S平衡頭
主電力線長度
106
平衡線長度
75
電池的正確用法有以下要點。
1.不過放。不要每次都將電池容量限制在電池極限，這很容易損壞電池壽命。
2.不過充。充電時，電池根據充電的C電池數量或低于C的數量進行充電，并且不能超過電流。
3.不滿電保存。滿電不用，時間一久，容易報廢電池。
4.不損壞外皮。電池的外皮是防止電池爆炸和漏液起火的重要結構。
5.不短路。短路會導致電池打火或者發(fā)生爆炸事故。
6.不著涼。電池長時間在低溫放置，它的放電性能會降低，如果在這種情況下飛行會出現安全隱患。
2.6電調的選擇
電調，全稱電子調速器，英文Electronic Speed Control，簡稱ESC。它有有刷和無刷，本文選擇的是無刷。它根據控制信號調節(jié)電動機的轉速。其中控制信號由飛行控制器提供。本文最終敲定了AIR 40A以匹配選定的電機和螺旋槳，電調能夠提供的電流是40A。大電流的電調可以兼容用在小電流的地方，小電流電調不能超標使用。電調參數如表3.7所示。
表3-7 電調參數
型號
當前電流
峰值電流（10s）
標準
鋰聚合物
編程項目
重量
尺寸（長寬高）
AIR 40A
40A
60A
無
2-6S
調速（中/高）
26g
55.6*25.2*11.3mm
對于它們的連接，如圖3.8所示，一般情況下是這樣的：
1、電調的輸入線與電池連接；
2、ESC的輸出線（3個無刷）連接到電機；
3、ESC信號線與接收器相連。
圖3-8 電調連接圖
2.7電池充電器的選擇
通過對已選擇的電池，充電器的充電能力應該適合已選電池的要求，最終確定選擇格氏的SKYRC B6充電器。參數如表3.9所示。
B6充電器，它是一個有著許多功能的充電器，它支持雙輸入充放電。它支持的充電電池種類包括：Li-ion、Li-Poly、Li-Fe、NiCD、NiMh和Pb， 涵蓋了主流的可充電電池種類。同時它還具有放電功能，放電電流為1A。本產品同時內置聚合物鋰電池平衡器，可以對2串、3串、4串、5串、6串聚合物鋰電池進行平衡充電，令充電效果更好。機身側面設計有溫度傳感器接口。B6采用了一個帶背光的點陣液晶顯示器，可以顯示操作菜單和充電狀態(tài)，方便直觀，同時也美觀。
表3-9 充電器基本參數
輸入電壓
直流12V-16V或交流220V轉直流12V/5A
充電電流
0.1-5A,步進0.1A
放電電流
0.1-1A,步進0.1A
可充Nicd/NiMH電池節(jié)數
1-15節(jié)
可充Li-Ion -Po -Fe電池節(jié)數
1-6節(jié)
可充Lead-acid(Pb)電池節(jié)數
2-20V
平衡充節(jié)數
二~六節(jié)
電壓精度
0.01V
散熱方式
金屬外殼散熱
顯示
16X2字符型LCD顯示屏
重量
580克
外形尺寸
133X87X33mm
四軸的動力系統(tǒng)在于通過螺旋槳、馬達、ESC和電池（電池充電器）組合。它給四軸提供動力用以飛行，給其他裝置提供電量。
3機架結構設計
四軸飛行器的機架是四軸機械結構的主體也是骨架，其他的裝置都是安裝在機架上的所以，對于四軸飛行器來說，機架有著獨一無二的重要性。
由于四軸的結構，四軸的整體結構布局是設計框架結構時需要解決的一個問題，在初級設計過程里，不可以只是用解析的方法來設計四軸飛行器總體布局，現在有的四軸飛行器的機架設計的結構比較固定，查資料可知有“X”型，如圖4.1所示?！笆弊中?，如圖4.2所示，和“環(huán)型”，如圖4.3所示，無論是“X”型、“十”字型還是環(huán)型布局都是隨著四軸飛行器的發(fā)展和時間檢驗過的，穩(wěn)定性是非常高。其中，就“X”型和“十”字型相比較，它們的結構有著異曲同工之處，相對來說“X”型的機動性更上一層樓。
圖4-1 四軸“X”型 圖4-2 四軸“十”型 圖4-3 四軸“環(huán)型”
3.1機架結構的方案與選擇
方案1：“十”型的選擇，它的前進工作時的轉向和四軸飛行器里面的電機們的轉向是相同的，沒有差別?！笆毙惋w行器飛行時更加容易，然而它的機動性不行，不能夠善于應變，拘泥。如果要裝別的傳感器的模塊時，并不是很容易，相反有些是不簡單的。導致功能不全，影響某些應用。
方案2：“X”型的選擇，“X”型飛行器的飛行狀態(tài)需要非常優(yōu)秀的能力來改變控制，它的操作系數相對于來說很高，就這樣造成它的機動性很好，能夠優(yōu)秀的展示飛行效果。它的飛行方向被隨意變動也是對它來說沒有影響，也是容易的。傳感器裝在上面也是非常方便，不會出現妨礙飛行器的工作與應用。
查閱大量資料和兩種方案的各方面對比，最后決定采用第二中方案來實行，因為“X”型的四軸飛行器的性能滿足本文所設計的飛行器的實際應用場所與性能要求。
由于確定了是“X”型飛行器，所以最終采用了“X”型的機架形式，螺旋槳1與螺旋槳3以逆時針的方向開始轉動的時候，并且螺旋槳2螺旋槳4也以逆時針的方向轉動，在四軸飛行器的飛行狀態(tài)處于平衡情況下，螺旋槳帶來的扭矩會被在彼此之間抵擋消除。同一情況下，可以用改動螺旋槳的速度的方法，使螺旋槳的升力發(fā)生變化。這樣的話，四軸飛行器就可以完成種種飛行動作。這四個螺旋槳的升力被變多或是變少的時候，會讓四軸飛行器完成筆直升起或者降落；當螺旋槳1與螺旋槳2的升力被發(fā)生變少或是變多的時候，同時螺旋槳3與螺旋槳4的升力被發(fā)生變多或是變少的時候，就會讓四軸飛行器發(fā)生前進（撤退）或者低頭（抬頭）的飛行動作；當螺旋槳1與螺旋槳3的升力被發(fā)生變多或是變少的時候，并且當螺旋槳2與螺旋槳4的升力被發(fā)生變少或是變多的時候，就會讓四軸飛行器發(fā)生偏離了航向的飛行動作。如表4-4所示。
表4-4 螺旋槳速度控制表
槳1
槳2
槳3
槳4
前進
↓
↓
↑
↑
升起
↑
↑
↑
↑
偏航
↑
↓
↑
↓
俯仰
↓
↓
↑
↑
機架的的形式已經確定，緊跟著要把軸距的尺寸確定下來，是為了防止四個螺旋槳在工作時發(fā)生碰撞，以導致安全事故。這里選擇的是上面已經確定下來的T-MOTOR的P13x4.4英寸碳纖槳。在這里，根據四軸機架的軸距經驗公式來確定機架的軸距。
（3-1）
式中 ——四軸飛行器機架的軸距（mm）
——螺旋槳的英寸
已知道為13英寸，可以通過公式求得為583.72mm，為了方便確定軸距，在這里，把四軸飛行器的軸距定為600mm。
3.2機架材料的選擇
首先，應該指出的是，四軸的基本重量是受四軸機架的重量的影響，這意味著它決定了四軸的大體重量。而從側面直接對四軸的載重和飛行時間變化起了很大的作用。從頭說起那就是機架的重量帶來的影響，從本質來說那就是機架的材料的不同，對于四軸飛行器的機動性有著很大的影響。一般來說，機架的材料有著下面幾類。
1塑膠機架
塑膠機架，它的材料就是用塑膠這個材料制作而成的機架。它的最直接的特點是它的強度與剛度有一定范圍的適中度，并且又有一定范圍的可彎曲度。它是比較便宜好用的材料，一般用于航模飛行使用的機架。
2 玻璃纖維機架
玻璃纖維強度會比塑膠材料的要高點。所以由于它有著高的強度，它一般做成長形管道形。和其他的材料相比，它只要很少的材料制作，從而使整個機架減輕了。它是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，種類繁多，優(yōu)點是絕緣性好、耐熱性強、抗腐蝕性好，機械強度高，但缺點是性脆，耐磨性較差。
3 碳纖維機架
碳纖維與玻璃纖維有著異曲同工之妙。目前整個無人機行業(yè)里，高端無人機大部分采用碳纖維材料。它提供高強度和輕重量。碳纖維的機架在無人機材料里面有更大的光明的未來，一般來說，碳纖維比其他普通材料的價格相比來說貴，相比而言，使用碳纖維可以減輕機架的重量又不降低其需要的強度與剛度。
4 合金機架
合金制作而成的機架，它的硬度與剛度有一定高的保證，但是合金一般來說密度高和質量重，這樣帶來的是四軸飛行器的載荷的加重，這導致了各種問題阻礙了四軸的發(fā)展和突破。
經過分析和查看市面上各種相似四軸飛行器的資料后，本文選用碳纖維材料來制作四軸飛行器的機架。
碳纖維機架的優(yōu)點：
（1）密度小，質量輕。其密度與鎂和鈹基本相當，是其他幾種金屬材料密度的0.20～0.57 倍，一般來講，采用碳纖維復合材料作為結構件材料可使結構質量減輕30%～40%。
（2）碳纖維復合材料具有高比強度和高比模量。通過參照比模量（彈性模量比密度）和比強度（材料的拉伸強度比密度）系數，可以明顯看出其與金屬材料在輕質高強方面表現出良好特性：碳纖維復合材料的比強度是鋁合金材料之5 倍；比模量則是其它結構材料的1.3～12.3倍。
（3）良好的抗疲勞特性。通常情況下，復合材料的抗疲勞性往往較金屬材料高很多。已知道的金屬材料的疲勞強度的極限的百分之40到百分之50，而碳纖維復合材料的疲勞強度的極限是上面的百分之70到百分之80，兩組數據明顯體現出，如碳纖維復合材料的機構長期處于交變載荷工作條件下，它的壽命必然高于金屬材料的機構。
（4）振性能好。受力構件的固有頻率不僅與其幾何尺寸、結構形狀有關，還與其比模量的平方根成正比。上述的優(yōu)點（2）里面已經分析得知，碳纖維復合材料的固有頻率也高于金屬材料。復合材料里面有許多的基體-纖維界面相，它具有強大的吸振能力。所以其擁有較高的抗振能力。
查資料研究后，本文采用東麗公司的碳纖維材料里進行選擇匹配，在產品表4.5里進行挑選。最后機架材料采用日本東麗的碳纖維T300-3000。它的參數如表4-5所示。
表4-5 東麗碳纖維產品基本參數
產品
特征
關鍵應用行業(yè)
T1100G
高強度高模量
主要飛機結構，發(fā)射火箭，運動
T1000G
高強度和中等模量
發(fā)射火箭,體育
T800S
高強度和中等模量
主要飛機結構、運動
T700S
高強度和標準模量
主要飛機結構，一般工業(yè)，體育
T300
標準模
二級飛機結構，一般工業(yè)，體育
表4-6 碳纖維材料基本參數
產品編號
長絲數
抗拉強度（Mpa）
抗拉強度（KGF/mm）2）
拉伸模量（GPA）
拉伸模量（KGF/mm）2）
伸長率（％）
單位長度Tex（g/1000米）
密度（克/厘米）3）
T300-3000
3000
3530
360
230
23500
1.5
198
1.76
四軸的機架一般是由上主板、下主板、電機的托架和力臂等組成。
3.3主板的設計
四軸飛行器的機架結構中，主板是有特殊意義的存在。它是與力臂喜歡連接，形成“X”型飛行器。它承受從螺旋槳給與的拉力，通過力臂傳輸過來。并且外載設備也是裝在主板上的。同時飛控核心與電池也是安裝在主板上。四軸飛行器的起落架也是安裝在上面，主板通過它來接受來自落地時的沖擊力。本文設計的四軸飛行器的上主板如圖4.7所示，下主板如圖4.8所示。
主板是有著140*140mm的長寬尺度，厚度為6mm。
圖4-7 上主板三維圖 圖4-8 下主板三維圖
3.4力臂的設計
四軸飛行器的力臂是用于承載螺旋槳與電機的地方，流行的力臂形狀有圓柱型與方型。圓柱型搭載電機是用外面的管來夾住的，這樣會導致一旦慣性加多，這樣的固定方式會產生松開的跡象，影響四軸飛行器的安全，造成不可挽回的損失。本文選擇方型的力臂，方型固定電機是用了電機的底座與方型直接連接，之間用了螺栓連接固定，這樣安全可靠，結構也簡潔明了。
本飛行器上面已經確定了軸距尺寸。軸距為600mm，主板尺寸為140mm。
（3-2）
式中 ——四軸飛行器的力臂尺寸（mm）
——四軸飛行器的軸距尺寸（mm）
——四軸飛行器的主板尺寸（mm）
由公式可算出力臂長度應該取230mm。如圖4-9所示。
圖4-9 力臂三維圖
3.5起落架的設計
起落架對于四軸來說，它是四軸在起飛前與地面接觸的地方，為了能讓四軸平穩(wěn)的起飛或者是落地。它是用于保護四軸飛行器，以便于保證四軸能夠正常工作的保護傘。
本文所設計的起落架是倒U字型。
本文已經設計起落架的基礎尺寸，如圖4.10所示，它的長寬為197mm*158mm，它的厚度為16mm。它通過兩根上支撐圓柱桿來裝置用于完成任務的設施，兩根下支撐圓柱桿來穩(wěn)定起落架與四軸飛行器，上支撐桿的長度為160mm，截面為直徑為5mm的圓，如圖4.11所示。而下支撐桿的長度為240mm，截面為直徑為5mm的圓，如圖4.12所示。它們與兩個起落架組合，形成一個完整的四軸飛行器用的起落架。
考慮到與地面接觸的兩個下支撐桿的受力與平穩(wěn)情況，在支撐桿上裝有抗振裝置。它的目的是為了吸收振動，減輕結構受到力的沖擊，從而達到保護的作用。本文設計一個抗振的圓柱形空心套筒，它的橫截面大圓的直徑為7mm，橫截面小圓的直徑為5mm，長度為30mm，如圖4.13所示。總共四個分別裝在兩個下支撐桿的兩端，這樣能夠有效的達到抗振的要求，從而提高四軸飛行器的安全系數。這里的抗振空心套筒采用了丁基橡膠作為材料。
丁基橡膠的優(yōu)點：
1.氣密性好。
2.耐熱性，耐老性優(yōu)良。
3.吸振性能優(yōu)秀，可作為高聚物吸吸振材料。
4.對陽光和臭氧具有良好的抵抗性。
綜合本文設計的四軸飛行器所處的工作環(huán)境，丁基橡膠符合制作抗振空心套筒的要求。
圖4-10 起落架三維圖 圖4-11 上支撐桿三維圖
圖4-12 下支撐桿三維圖 圖4-13 抗振套三維圖
3.6電機底座的設計
電機底座顧名思義就是電機所在的底座，它是電機與力臂末端之間的連接件。它的基本尺寸為70mm*70mm，如圖4-14所示。
圖4-14 電機底座三維圖
本文設計的四軸飛行器的機架部分，通過proe畫出各部分零件的三維圖，再通過proe進行組裝，構成一個完整的機架，如圖4.15所示。
圖4-15 機架三維建模圖
本章設計的四軸的整體機械結構部分，它的合理設計能夠整成一個四軸的骨架，以便于其他的模塊的安裝，與承受各種扭矩。也是整個四軸的基礎工程。
4云臺結構設計
本文設計的四軸飛行器主要用于探測森林火情，裝載了熱成像設備，為了能夠完成對火情全方面的跟蹤與探測，攝像裝置需要能夠受操作者自由控制來調動拍攝方向，這樣才能完成要求，所以本文要設計一種云臺，能夠讓設備安裝在上面，并且為設備提供拍攝范圍。
4.1云臺結構的方案與選擇
方案1：球形云臺。它是一種三腳架形式的結構，它是以球體為中心來用旋轉桿來改變球體的位置變動，其位置變動先讓其運動，確定方向后固定。它的操作性十分容易，但是它的載重能力并不出色，有點偏弱。它的調動范圍一下子比較大，無法快速細微調制，并且球形中心這個部件易粘灰塵與細小顆粒，這樣會造成球面運動會受到阻礙，并且會損壞。
方案2：二軸云臺，它是一種通過二個不同空間方向的固定件來改變攝像方向的，它最明顯的就是載重能力優(yōu)秀，這樣便于攜帶高質量的設備，并且這種構件的微調能力優(yōu)秀，可以準確的把握方向，做到細致的追蹤。
根據資料各方面比較，最終采用了方案1，傳統(tǒng)的有固定式與電動式，由于本文設計的特殊要求，選擇電動式的，這樣就增大了設備的探測范圍，提高設計的產品的效率與能力。所以本文設計了一種二軸式的云臺機構，它能夠垂直轉動與水平轉動。從而能夠實現拍攝的自由與精確。它是二軸形式的，云臺的轉向方向為X與Z軸上的，動力來源通過電機，然后使用齒輪減速器，用它來調節(jié)轉動的角度，X軸與齒輪連起來是通過軸承，為角接觸。Z軸使用的軸承為滑動。
4.2減速器設計
4.2.1X軸上的減速器設計
設計條件：i=4，n2max=20r/min，m=1mm。
本文的云臺減速器選擇了單級圓柱齒輪的形式。本節(jié)的圖表來自參考文獻[6]。
（1）類型選擇：由于傳動的載荷較低，采用了直齒式。
（2）材料選擇：小齒輪：40cr調質，硬度為217~255；大齒輪：45鋼調質，硬度為241~286
（3）精度確定：一般是8級，精切為7級，為了符合要求，這里為7級
（4）齒數計算：Z1=18,Z2=18*i=18*4=72
1.齒根疲勞強度校核
(4-1)
(4-2)
在公式1里面，；其中，取自表10-2；最大轉速為0.33r/s，由圖10-8可知由表10-3可知。取自表10-4，取自圖10-13。最后求得：。
，由表10-17與表10-18得知；
∵
；；其值根據圖10-22來得知的。
取自圖10-24。
(4-3)
取最大的，為4.9MPa；取最小的，為272.8MPa。
∵,∴它是滿足要求的。
∵mm，其滿足了要求。
2.齒面接觸疲勞強度校核
(4-4)
(4-5)
，取自表10-5。
由圖10-23得知。由圖10-25里面得到。
(4-6)
∴
取最小的為349.6MPa，∵∴其是可靠安全的。
，∴它也是符合的。
因為本文設計的垂直轉動的范圍為±45°，所以不需要采用圓形的大齒輪，從而可以考慮扇形齒輪，它的角度為12°。
4.2.2Z軸減速器設計
設計條件：i=3.75，n2max=2r/min，m=1mm
其減速器選擇了單級圓柱齒輪的形式。
（1）類型選擇：由于傳動的載荷較低，采用了直齒式。
（2）材料選擇：小齒輪：40cr調質，硬度為217~255；大齒輪：45鋼調質，硬度為241~286
（3）精度確定：一般是8級，精切為7級，為了符合要求，這里為7級
（4）齒數計算:Z1=20,Z2=20*i=20*3.75=75
1.齒根疲勞強度校核
依靠上節(jié)X軸計算過程一樣，
得；；。
根據公式（4-1）得：
，取得上述的最大的為10.4MPa。
∵∴其是符合安全標準的。
根據公式（4-2）得：
∴其是符合要求的。
2.齒面接觸疲勞強度校核
根據公式（4-4)得：
∵
∴
∴符合要求。
根據公式（4-5)得：
∴也符合要求。
4.3軸的設計
4.3.1X軸的設計
X軸它是承受了轉矩與彎曲力，因此只要進行彎扭組合的強度來算。
所以它的強度為：
∵
初設承受的重量為1000g，,，
∵
∴其是在強度承受之內的。
4.3.2Z軸的設計
Z軸是會有兩個，上軸是軸向拉力的承受處，下軸是軸向拉伸與扭矩的承受處。
上軸的強度條件：
∵設承受的重量為40N，
∴其滿足要求。
下軸的軸向拉伸強度如上:
∵設要承受的重量為30N，
∴其滿足要求。
下軸承受的扭矩條件為：
∴
∴其滿足要求。
4.4軸承的選擇
4.4.1X軸軸承的選擇
因為軸是小型的，為了它能夠快速有效的安裝，這里采用了滑動軸承。這里將使用粘度等級為100的潤滑油。
4.4.2Z軸軸承的選擇
因為Z軸的需求，這里采用了角接觸型的軸承。軸承與軸用了間隙配合來使用，通過螺母與墊片來固定。
5控制系統(tǒng)設計
四軸飛行器的核心就是控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的有駕駛員駕駛的飛行器與它最大的不一樣就在這個地方，四軸飛行器要能穩(wěn)定的運行，還有對于搭載的設備的控制還有能夠自己對于突發(fā)情況的對待解決這些主要功能。其中涵蓋了飛控，無線數據傳輸，地面接收站這些大的系統(tǒng)，它們之間相輔相成，共同合作，以達到對四軸飛行器的飛行操作支配。它的模擬圖如圖5.1所示。
圖5-1 控制系統(tǒng)模擬圖
5.1飛控系統(tǒng)的設計
飛控系統(tǒng)是四軸飛行器的核心，也是其大腦部位。飛控系統(tǒng)里包含了各種模塊，有主控制的，傳感器的，gps定位的和電源的等等這些東西。主體模