智能飞行器的结构设计

2018-09-10张涛然

河南科技 2018年26期

关键词：旋翼

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]。