智能飞行器的结构设计

张涛然

摘 要：本文研究的课题所选用的是四轴飞行器，其螺旋桨与电机直接相连而且是在同一水平高度上对称分布，且螺旋桨的形状尺寸完全一样，螺旋桨支架端的电机为整个飞行器提供稳定运行的能量。相邻的螺旋桨旋转方向采用反向结构，这种结构设计能均衡飞行器运行时产生的力矩，避免出现旋翼在空中打转的情况。

关键词：多旋翼飞行器;旋翼;应急装置;飞行控制

中图分类号：V423文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）26-0122-02

1 智能飞行器的现实意义

智能飞行器是一种科技含量特别高的飞行设备，军事上用于对敌方进行侦察以及进行一些必要的破坏。近年来，飞行器的应用范围越来越大，被广泛用于人员搜救、物资运输、航拍等。更高端的飞行器还可以对太空资源进行开发和利用，甚至还能进行一些相关试验。

2 智能飞行器的飞行原理

四旋翼飞行器是现阶段应用最为普遍的一种飞行器，以控制螺旋桨的转动速度来实现飞行器在地面、低空、高空三种方位的升降起落，其体积小质量轻，在军事监控、工程测量、航空拍摄等范畴的应用也非常普遍[1]。4个旋翼之间是动态平衡的结构，根据飞行器实时飞行状态的变化和接收到的遥控信号调整4个旋翼的电机转速，4个旋翼产生向上的升力与整个飞行器的重力相等时，飞行器力矩和为零，从而能实现悬停[2]。

螺旋桨的单轴桨叶是采用正反对称的布置形式，其原理和竹蜻蜓类似，控制每个螺旋桨的转速就能实现悬停、自由移动等操作。螺旋桨的转动为飞行器运行提供升力，相邻的螺旋桨旋转方向相反，这样就可以防止旋翼在空中不稳定运行。螺旋桨的转动方向如图1所示。

3 智能飞行器的飞行方式

四轴飞行器的飞行方式如图2所示。从图2可知，四轴飞行器主要由旋翼、螺旋臂、主体支撑架和飞行控制器等组成。

飞行器的飞行方式及其飞行原理有以下几种。

①垂直运动。确保旋翼上的电机转速不变，旋翼产生的升力和整个飞行器的重力相等，就能实现悬停。当4个电机转速的变化量相同，4个旋翼产生的升力就会发生相应变化，机身沿z轴运动，实现垂直运动。

②前后运动。确保旋翼的力矩之和为零，电机2和电机4的转速不变，电机1和电机3的转速的改变量不相等且方向相反，旋翼1和旋翼3就会产生前后的拉力，机身沿y轴运动，实现前后运动[3]。

③偏向运动。电机1和电机3与电机2和电机4的转速改变量相反，旋翼1和旋翼3与旋翼2和旋翼4的反扭矩不相等，机身绕z轴转动，实现偏航运动。

④侧向运动。确保各旋翼力矩之和等于零，电机1和电机3的转速不变，改变电机2和电机4的转速，改变量方向相反且不相等，旋翼2和旋翼4将会产生侧向拉力，机身沿x轴运动，实现侧向运动。

⑤翻滚运动。确保电机1和电机3的转速不变，改变电机2和电机4的转速，改变量大小相等方向相反，旋翼2和旋翼4将会产生不平衡力矩，机身绕y轴转动，实现翻滚运动。

⑥俯仰运动。确保电机2和电机4的转速不变，改变电机1和电机3的转速，改变量大小和方向均相同，旋翼1和旋翼3将会产生不平衡的力矩，机身绕x轴转动，实现俯仰运动[4]。

4 智能飞行器的结构组成

智能飞行器的结构包括悬翼结构、控制结构、机架结构、摄像机云台和机身结构[5]。

4.1 悬翼结构

采用的是X型旋翼，结构如图3所示。在飞旋翼的末端有正反螺旋桨、固定配件及控制螺桨叶旋转的电机等其他零部件。4个螺旋桨的旋转能产生足以支撑飞行器飞行的升力，能提高飞行器的负载能力，螺旋支架数量越多，负载能力越大，但螺旋支架越多越难控制。

4.2 控制结构

控制结构固定在四轴的中心，主要由控制器和遥控接收等部分组成。控制中心的电路元件模块发送指令控制无刷电机的转动，从而控制紧急降落装置的运行。

4.3 机架结构

机架结构用于固定旋翼、紧急降落装置和飞行控制器等其他零部件，结构如图4所示。

4.4 摄像机云台

摄像機云台的结构设计不但要稳固摄像机，还要不影响摄像机工作，结构如图5所示。

4.5 机身结构

旋翼臂的螺旋桨对称分布且处于同一水平面，旋翼臂的中心处安放飞行器控制部分，使整个四轴飞行器重心保持稳定，四轴飞行器结构是对称形式，减小了整体设计的工作量。整体结构如图6所示。

5 结语

近年来，智能飞行器逐渐被应用于各个领域。为此，本文主要分析智能飞行器的飞行原理、飞行方式及其结构，以期为进一步优化智能飞行器提供借鉴。

参考文献：

[1]江斌.小型四旋翼低空无人飞行器综合设计[D].杭州：浙江大学，2013.

[2]王柳文.微型飞行器自主控制系统的研究及设计[D].南京：南京航空航天大学，2002.

[3]任玉灿，马轶群.两种标准直齿圆柱齿轮传动设计方法的比较[J].河北建筑工程学院学报，2009（1）：73-76.

[4]高红立，李亚，蒋亚飞，等.四轴飞行器的控制与设计[J].电子世界，2017（7）：134.

[5]方璇，钟伯成.四旋翼飞行器的研究与应用[J].上海工程技术大学学报，2015（2）：113-118.