四轴飞行器的设计说明书.doc

...wd...深 圳 大 学本 科 毕 业 论 文〔设计〕题目:四轴飞行器的设计姓名:* * *专业: 机械设计制造及其自动化 学院: 机电工程学院 学号: 12880008 指导教师:* * * 职称： 2016年 4月 19日深圳大学本科毕业论文〔设计〕诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文〔设计〕，题目??是本人在指导教师的指导下，独立进展研究工作所取得的成果对本文的研究做出重要奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明除此之外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果本人完全意识到本声明的法律结果毕业论文〔设计〕作者签名：日期：年月日目录一．综述7〔一〕产品开展历史7〔二〕工程研究现状7〔三〕研究目的7〔四〕主要研究内容8二．产品工作原理9〔一〕产品技术方案的提出9〔二〕产品总体构造9〔三〕产品工作原理9三．产品构造设计11〔一〕产品性能要求12〔二〕产品设计计算121.参数选择122.估算整机重量133.功率计算134.上下平板连接使用螺纹连接类型及连接件选择145.机身支架与马达底座之间控轴公差与配合15〔三〕产品构造设计171.产品装配图17机架装配18电机装配19脚架装配202.产品零件图21缓冲套21脚架21马达底座22下平板22橡胶套123橡胶套223四．构造分析与试验25结论26【摘要】Solidworks软件是美国Solidworks公司开发的三维CAD软件，是世界上第一个基于windows开发的三维CAD软件，功能强大、易学易用与技术创新是Solidworks软件的三大特点。

通过SolidWorks的三维建模，可以有效减少设计过程中的错误并提高产品质量SolidWorks对于每位工程师和设计者来说，操作方便、易学易用，是产品设计的一大利器本论文是对四轴飞行器的工作原理和构造进展分析并对其进展设计，通过对四轴飞行器的设计，获得马达底座、上平板、下平板及脚架等零件的各项数据，再根据这些数据用Solidworks对产品进展三维造型设计，然后生成工程图，最后再利用Solidworks进展装配和仿真关键词】SolidWorks、四轴飞行器、产品设计、三维建模、装配和仿真前言四轴飞行器是属于无人飞行器的一种，通过调节四个电机来控制四个螺旋桨升力的变化，从而改变飞行器的飞行姿态和位置四轴飞行器最开场的时候是由军方研发的一种新式的飞行器随着单片机、微机电系统传感器、电机和电池技术的开展与普及，四轴飞行器现今成为了航模界的新锐力量到现在，四轴飞行器已经应用到各个不同的领域，比方军事打击、警用追捕、灾害救援、农林业的调查、输电线巡查、广告宣传、航拍、航模玩具等等，已经成为非常重要的遥感平台就以农业调查为例子，传统的调查方式是到现场抽样调查或者用航空航天遥感抽样的方式工作量较大，而且其准确性会受主观因素影响；而使用遥感方式可以同时在大范围内进展调查，时效性和准确性相对于抽样的方式都有了较大的提升，但只能得到大型农作物的宏观指标，而且本钱比照高。

不连续的地块和小种作物等很难运用遥感调查所以，低空低本钱的遥感技术显得非常重要，而四轴飞行器正正符合低空低本钱的遥感平台的要求 目前应用比照广泛的飞行器有：固定翼飞行器与单轴的直升机和固定翼飞行器相比照，四轴飞行器的机动性好，动作灵活，且可以垂直起飞降落和悬停在空中，那么缺点是续航时间比照短、飞行速度较慢；而与单轴直升机比照，四轴飞行器的机械构造简单，不用尾桨抵消反力矩，本钱比照低本文就小型电动四轴飞行器，介绍四轴飞行器的一种实现方案，重点讲解四轴飞行器的构造设计，并对几个比照重要的零件进展讲解一．综 述（一） 产品开展历史四轴飞行器，又称为四旋翼飞行器，作为当下最热门的其中一种飞行器，已经受到了越来越多科学爱好者和不同商业公司的关注下面我就来简单讲述一下四轴飞行器的开展历史1907年，在法国，Breguet兄弟制造出了第一架四旋翼直升机，在这次飞行中没有用任何的控制，所以飞行的稳定性很差1921年，Deorge De Bothezat 在位于美国俄亥俄州西南部城市代顿的美国空军部建造了另外一架大型的四旋翼直升机，先后进展了100屡次的飞行试验，但是还是没有方法很好的控制直升机飞行，并且没有到达美国空军的标准。

1924年，出现了一种叫做Oemichen的四旋翼飞行器，四旋翼直升机首次实现了1km的垂直飞行1956年，Convertawing制造了一架四旋翼直升机，这架直升机的螺旋桨直径超过了19英尺，使用了两个发动机，并且通过改变各个螺旋桨提供的升力来控制飞行器在之后的几十年里面，四旋翼直升机并没有一些大的进展在近来十几年，随着微机电系统、传感器和控制理论等技术的开展，四旋翼直升机又引起了人们极大的兴趣研究集中在小型或者微型四旋翼飞行器的构造、飞行控制以及能源动力等方面二） 工程研究现状说到四轴飞行器，我们首先要讨论的就是DJI大疆创新科技DJI在早年专注于研发直升机自动控制器上但在2010年，AR.Drone的成功让大疆公司开场考虑四轴飞行器产品两年后，大疆就推出了风火轮系列四轴机架、悟空四轴飞行控制器和S800六轴飞行器在当时，在全球范围内AR.Drone引领了一股将四旋翼商业化的热潮，大疆只是众多个小四旋翼公司中稍微出众的一个随着2013年DJI Phantom的推出，四轴飞行器的市场形势发生了巨大的变化Phantom具有优雅的白色流线型外形；和AR.Drone一样操控简便，新手学习半个多小时就可以飞行。

Phantom比AR.Drone尺寸大得多，抗风性更好，还有内置GPS导航功能，可以在户外很大的范围飞行而更加重要的是，当时使用GoPro拍摄极限运动成为了许多欧美国家的时尚，而Phantom提供了GoPro的连接架，让使用GoPro拍摄极限运动的人们有了新视角并且多旋翼系统比起直升机航拍灵活了不少，能让拍摄者自由的控制拍摄角度和距离此后，大疆很快又推出了能准确使相机小抖的云台，使S800的航拍影像质量到达了电影水平三） 三维实体设计软件solidworks软件介绍SolidWorks软件是达索系统下的子公司SolidWorks公司推出的一款三维CAD系统，是世界上第一个基于Windows设计的三维CAD软件CV公司的副总裁和PTC公司的副总裁于1993年共同发起、创立了SolidWorks公司，在1995年成功推出了SolidWorks软件SolidWorks的技术创新特点符合CAD的开展趋势使SolidWorks公司在两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司在一些麻省理工大学和斯坦福大学在内的名牌大学里，SolidWorks已经被设为制造专业的必修课程功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks软件的三大特点。

SolidWorks省去了设计过程中的三维视图和二维视图间的转化过程，直接从三维模型入手设计者可以通过鼠标方便的使用旋转、拉伸、抽壳、特征阵列及异型孔向导等功能，不断修改三维实体造型，最终完成产品的设计SolidWorks的参数驱动的设计模式使用户可以通过修改相关的参数，从而动态修改设计参数，最终完善设计方案这种特点可以让用户快速的发现零部件中的机械缺陷，然后直接修改模型，减少了设计中的各种错误SolidWorks还有系统自带的标准件库，包含螺栓、螺钉、螺母、螺柱和垫圈等常用零部件，在装配时可以直接调用四） 研究目的〔1〕培养综合运用所学的机械设计课程的知识去解决机械工程问题的能力，并使所学知识得到稳固和开展〔2〕学习机械设计的一般方法和简单机械构造装置的设计步骤〔3〕进展机械设计 基本技能的训练，如计算、绘图和学习使用设计资料、手册、标准和标准五） 主要研究内容〔1〕拟定和分析主体构造装置的设计方案〔2〕进展机体的设计计算，构造设计〔3〕绘制飞行器总装图〔4〕设计飞行器非标零件〔5〕飞行器的实体造型〔6〕编写设计说明书，准备辩论二．产品工作原理（一） 产品技术方案的提出（二） 产品总体构造旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的构造和半径都一样，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。

构造形式如图 2.1所示 图2.1 四旋翼飞行器的构造形式（三） 产品工作原理四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统 四旋翼飞行器的电机 1和电机 3逆时针旋转的同时，电机 2和电机 4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消在图2.2中，电机 1和电机 3作逆时针旋转，电机 2和电机 4作顺时针旋转，规定沿 x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降〔1〕垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以抑制整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器那么垂直下降，直至平衡落地，实现了沿 z轴的垂直运动当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态〔2〕俯仰运动：在图〔b〕中，电机 1的转速上升，电机 3 的转速下降〔改变量大小应相等〕，电机 2、电机 4 的转速保持不变。

由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕 y 轴旋转，同理，当电机 1 的转速下降，电机 3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动 〔3〕滚转运动：与图 b 的原理一样，在图 c 中，改变电机 2和电机 4的转速，保持电机1和电机 3的转速不变，那么可使机身绕 x 轴旋转〔正向和反向〕，实现飞行器的滚转运动 〔4〕偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了抑制反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向一样反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速一样时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全一样时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动在图 d中，当电机 1和电机 3 的转速上升，电机 2 和电机 4 的转速下降时，旋翼 1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在充裕反扭矩的作用下绕 z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、电机3的转向相反 〔5〕前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。

在图 e中，增加电机 3转速，使拉力增大，相应减小电机 1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡按图 b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动向后飞行与向前飞行正好相反〔在图 b 图 c中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿 x、y轴的水平运动〕 〔6〕倾向运动：在图 f 中，由于构造对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样转自：机。