基于Creo的小型共轴双旋翼无人机设计与仿真

张梓嵩 郝永平 许九龙

(沈阳理工大学机械工程学院 辽宁 沈阳 110159)

引言

近些年以来，无人机得到了大量的关注，它被广泛的运用于航拍、侦察、搜救等工作。与此同时，也出现了大量不同结构的无人机，主要包括多旋翼无人机，固定翼无人机和共轴式无人机。共轴双旋翼无人机由于它结构比较简单、紧凑，比较容易满足目前对无人机小型化的要求，而逐渐在大量领域广泛使用。参考现在已有的无人机结构，根据需要的设计要求，本文设计了一款小型的共轴双旋翼无人机，对其进行了各个零件的建模，虚拟装配和运动仿真[1]。

一、无人机的结构设计及建模

小型共轴双翼无人机一般由机身、电机、舵机和桨叶等几部分组成。本文对无人机的支撑架和内外环(组成机身)、外壳等主要零部件进行了设计[2]。

(一)支撑架的设计

支撑架是整个共轴双旋翼无人机的骨架，它是整个无人机主要承受外力的零件。它承载着电源、单片机飞控、舵机以及能过程中够改变无人机横滚俯仰姿态的内外环等全部零件[3]，并在无人机飞行对其上的零件起到了一定的保护作用。根据对无人机外观的要求以及其的特点，利用Creo对支撑架进行三维建模，考虑到对非承受力的部分进行结构的优化，以及便于对其他零件的安装与拆卸等方面。设计的支撑架如图1所示，支撑架根据实际要求整体设计成圆柱形，主要通过两个主要支柱支撑整体，分上中下三层，上层主要是通过在支撑架的两个支柱的凸出部分放置轴承来使外环自由转动并且加以支撑，放置轴承的部分进行加厚处理，增加了其在运动时的强度，中间层主要是通过4个∅3.2的孔来固定单片机飞控并且在其中一个支柱上放置一个舵机用来改变外环的转动方向，下层主要是用来放置电池[4]。并且在支撑架上面还有4个用来与外壳连接的孔。

图1

(二)外环的设计

外环是无人机的几个主要部件之一如图2所示，主要用来完成无人机的横滚俯仰运动，其上承载着一个舵机，用来改变内环的转动方向，这样两个舵机分离，就不会造成万向环锁死的情况[5]。外环的前后两端有两个加厚的部分，其上的有两个沉头孔，通过螺丝来连接和支撑内环。其中舵机通过45°的杆固定在外环的正下方，横向放置，这样可以减小占用的空间，其通过4个杆连接用来加强舵机的稳定性和强度。外环左右两端有两个∅3.2的孔，用来连接支撑架。其上右侧后面有个∅2的孔，用来连接舵机，实现对外环的转动控制。

图2 外环

(三)内环的设计

外环是无人机的几个主要部件之一如图3所示，主要用来完成无人机的横滚俯仰运动，其上主要安装了电机和桨叶控制无人机升力部分[6]。外环上面通过4个∅3.2的孔来安装固定无人机的电机，其通过加厚来增加强度。外环的前后各有一个加厚的圆形区域，其上的孔是用来放置轴承，圆孔后方的矩形孔是用来放置螺母，这样就可以时内外两环紧密的连接在一起，外环前方放置轴承的孔的左侧设计了一个∅2的孔，用来与舵机连接来控制内环的转动。

图3 内环

(四)外壳的设计

外壳如图4所示，其主要用来保护无人机的内部的各个零件，其前后左右各有一个∅2的孔来连接支撑架，其前后去掉的小矩形部分，是用来放置支撑剂两个支柱凸出部分的加厚部分，这又能使支撑架受力的一部分分给外壳，增加了无人机的受力的强度。由于受限于整体重量的缘故，把外壳厚度设计成2mm的圆柱体。

图4

二、无人机结构的虚拟装配

将各个建模后的零件进行虚拟装配是生成工程图纸和虚拟仿真分析的重要基础，无人机的装配采用自下而上的装配方式[7]，即将各个零件一一导入到装配体中，在其中加入合适的配合方式并将零件进行必要的旋转来调整各个零件的位置和方向。本文结合装配流程(如图5所示)对无人机的装配方法和步骤进行详细的介绍。

按照装配流程进行装配

(1)打开CREO并新建装配体文件

(2)点击组装，插入第一个零件“支撑架”，把其作为整个装配体的基准，设置其位置是默认的。

(3)插入零件“外环”，通过两个孔之间的“同轴心”的配合，装配零件。

(4)插入零件“内环”，通过两个孔之间的“同轴心”的配合，装配零件。

(5)插入零件“舵机”，通过两个孔之间的“同轴心”的配合和面与面之间“重合”的配合，装配零件。

(6)重复步骤5

(7)插入零件“电机”，通过两个孔之间的“同轴心”的配合和面与面之间“重合”的配合，装配零件。

(8)插入零件“桨叶”，通过孔之间的“同轴心”的配合和面与面之间“重合”的配合，装配零件。

(9)同步骤8。

(10)插入零件“外壳”，通过两个孔之间的“同轴心”配合和两个面面之间的“重合”配合，装配零件。至此无人机的简单装配完成如图5所示。

装配图5

完成无人机的装配之后，我们可以通过干涉实验[8]验证我们的零件设计的是否合理，零件与零件之间是否存在干涉，这样我们就可以改进我们的无人机结构，满足我们的设计要求。

三、无人机的运动仿真

无人机的运动仿真[9]主要是为了生成动画效果，这样可以更加直观的展示无人机的机构设计。共轴双旋翼无人机是通过两个电机带动两个桨叶旋转从而产生升力来带动无人机升降。在装配体的模式下，实现两个桨叶的旋转运动仿真，具体实现如下：点击“应用程序”，然后点击“机构”，选择“电机”，选择桨叶中轴线为参考轴，设置转速为200r/min,完成电机设置。重复上述步骤完成两个桨叶旋转的基本设置，在选择桨叶旋转方向时两个桨叶选择不同方向。为实现无人机上升运动仿真，需要点击“应用程序”中的动画，新建“捕捉动画”，然后点击“关键帧序列”，设置关键帧，然后再设计时间地和把电机设置，就可以完成无人机上升的动画仿真了。

四、结语

本文基于Creo软件，完成了小型共轴双翼无人机的结构设计，虚拟装配和运动仿真。仿真结果生动形象，能够更加直观的展示共轴双旋翼无人机的整体结构，以及无人机的运动过程。为这种无人机的结构设计方面提供了可靠的参考和学习。