四翼火情探测无人机设计-森林火情探测四轴飞行器结构设计【12张CAD图纸】.zip

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  • 四翼火情探测无人机设计-森林火情探测四轴飞行器结构设计【12张CAD图纸】
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12张CAD图纸 火情 探测 无人机 设计 森林 飞行器 结构设计 12 十二 cad 图纸
资源描述:
I四翼火情探测无人机设计摘要四轴飞行器目前属于火热的可垂直起落的飞行器,具有结构简单、动力强大、可用的行业范围大并且飞行时可靠性高,各种专业程度高的飞行器被各行各业所喜爱,因此,主流研究其专业化越来越密切。本文所设的无人机乃用于观察森林里的火情,是专行专业使用的。本文对四轴飞行器的机构与原理先行分析,主要是设计四轴飞行器的结构部分,通过对机架里的主板、力臂与起落架等机械结构设计,选择合理的碳纤维复合材料来构造机架,通过三维软件来建模,组成一个四轴飞行器的机架,对于云台机械结构的设计分析,利用齿轮减速机构来细分转动角度,通过支架来支撑摄像机。叙述了森林火情探测的四轴飞行器的设计过程,从动力部分、结构部分到控制部分。关键词关键词 四轴;飞行器;结构设计;碳纤维;机架;云台IIAbstractFour 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 headIII目目 录录摘要 .IAbstract .II1 绪论 .11.1 课题研究的背景及意义 .11.1.1 课题研究的背景 .11.1.2 课题研究的意义 .11.2 四轴飞行器的发展的状况 .21.3 本课题的主要研究的问题以及各章安排 .51.4 四轴飞行器的结构形式 .51.5 四轴飞行器的飞行原理 .62 动力系统设计 .82.1 起飞重量的确定 .82.2 电机方案与选择 .82.3 螺旋桨的选择 .92.4 推重比的确定 .92.5 电池的选择 .112.6 电调的选择 .122.7 电池充电器的选择 .133 机架结构设计 .143.1 机架结构的方案与选择 .143.2 机架材料的选择 .153.3 主板的设计 .173.4 力臂的设计 .173.5 起落架的设计 .183.6 电机底座的设计 .194 云台结构设计 .214.1 云台结构的方案与选择 .214.2 减速器设计 .214.2.1X 轴上的减速器设计 .214.2.2Z 轴减速器设计 .234.3 轴的设计 .244.3.1X 轴的设计 .244.3.2Z 轴的设计 .244.4 轴承的选择 .25IV4.4.1X 轴轴承的选择 .254.4.2Z 轴轴承的选择 .255 控制系统设计 .265.1 飞控系统的设计 .265.2 无线数据传输路的设计 .295.3 总体控制系统的设计 .30结论 .32致谢 .33参考文献 .3411 绪论1.1 课题研究的背景及意义1.1.1 课题研究的背景无人机分为固定翼无人机和旋翼无人机两大类。在过去几十年里固定翼无人机获得了迅速的发展并形成了成熟的技术线路,曾在美军海湾战争中扮演了重要角色,充分展示了无人机在军事领域中的突出优势。与固定翼无人机相比,旋翼无人机拥有独特的优点:(1)可垂直起降,不受起飞降落场地限制;(2)受环境影响小,可在复杂环境条件下作业;(3)操纵灵活、机动性强,可满足不同飞行工况要求。由于旋翼无人机的控制原理较固定翼复杂,难以实现旋翼无人机飞行姿态的自主控制,使得旋翼无人机的发展较为迟缓。近十几年来随着先进材料技术、无线通讯技术、控制科学、数字信号处理技术等的不断发展,使得旋翼无人机的开发和研制有了重大突破。飞行器可用于民用行业、满足国防需求,还可以开发和利用太空资源、进行太空操作和相关试验等,因此国内外对飞行器进行了大量的研究。飞行器里面的有一个特殊存在的飞机有四轴飞行器,它的其他名字有叫四旋翼。也被称为四轴。它的螺旋桨与电机是直接简单联系,并且结构形式简洁。当前四轴飞行器主流还是消费级的产品,众多飞行爱好者是其拥有的主力军。现在四轴飞行器大量是用于航拍的。目前有许多优秀的无人机公司对四轴飞行器的发展不仅仅是它的硬件的升级或者是换代,越来越多的工业级,农用级和民用级等等的四轴飞行器的发布与研究,未来的四轴飞行器的发展方向朝着专业化分类,做到物尽其用,术有专攻。针对这个发展趋势,利用现有的研究结果来设计用于森林火情探测的四轴飞行器,设计它的机械部分的结构,合理的根据现有的控制板来装配,并且设计四轴飞行器的云台结构部分,丰富四轴的功能。因此研究开发新型的四轴飞行器具有重大的现实意义。1.1.2 课题研究的意义本文主要研究的是四轴飞行器的结构,它的应用的地方是森林火情的探测。现在的四轴飞行器种类多,很多公司都开发了自己的四轴飞行器。缺点与优点是共同存在的。本文设计的四轴飞行器除了自身的结构外面,还要搭载视频相机与热成像机,通过参考市场上的类似的四轴飞行器来设计与研究。本文通过经验来确定本四轴飞行器带来的载荷,从而来敲定四轴飞行器的电机需要用的动力,根据这个来选择市面上符合要求的动力系统里的各种装置,以达到匹配并且不会浪费。再根据已经确定的螺旋桨的尺寸来通过经验公式大体的求得四轴飞行器的轴距,四轴飞行器的机架的设计及里面的主板的设计,力臂的设计和起落架等等,根据轴距来确定基本尺寸。使用三维软件把设计的机架各部分来进行建模,再把这些零件组装起来展示。这些硬件结构有了,还要有软件来支撑,这样四轴飞行器的设计才能完整。本文选择了现有的市场上的优秀的飞控系统模块2的选择,选配适合本文的飞行器,还有各种有效且优良的遥控器等等模块。使得控制系统完善,便于飞行器的应用。本文是对于四轴飞行器结构的设计,用以确定机架各部分的样式与尺寸,搭合理的动力系统与控制系统。设计了云台的结构部分,使其能够完成拍摄角度的调动。可以参考那同类型的四轴飞行器,对自己的四轴飞行器进行改良与设计作为基础。1.2 四轴飞行器的发展的状况四轴飞行器的发展有历史可以看见,它的发迹史也是很有意思的。(1)1922 年由 Bothezat 研发而来的四轴飞行器“飞天章鱼”如图 1.1 所展现的,其目的是因为美军的请求而开发的,美军想要能够完成垂直起落的四轴飞行器,他们直接使用原来的大小的飞行器。这个“飞天章鱼”身材巨大,通过 180HP 给与的动力来向天空飞行。早期的薄弱技术支撑只是让它在这自由的天空中呆了 60 秒,其到达的高度紧紧为15.24cm 的距离。但是这个举动为未来的四轴飞行器的发展埋下基石,未来的飞行器更加优秀。图 1-1 Bothezat 的“飞天章鱼”(2)1950 年以后,美国陆军没有放弃对飞行器的垂直起落的研究与发展,他们又开始研究起来,不断的邀请各种优秀的专业人员与行业进来。Curtiss-Wright 公司为美军提供技术支撑与研究,并且加入了“会飞的吉普车”飞行器计划。公司由此研究开发了 VZ-7,如图 1.2 所示。这个产品在 1958 年中交给了美军使用。VZ-7 设置有一个机身和飞行员的座位,并且有了油箱和飞行控制。在机身的两侧旁边那,飞行器的螺旋桨全部是没有盖子保护的的(飞行器上一开始布置了有裹尸布,然而后期被要求给取消掉了)。飞行器它有四个螺旋桨。VZ-7 的控制原理是通过改变每个螺旋桨的推力的大小。这架四旋翼飞行器同样具有庞大的体积,需要的较大的升力,其每个旋翼直径达 8 米,有 6 片桨叶,整机重量超过 1600kg。其中,由一个发动机带动的四个旋翼又可以实现单独控制,正因如此,这架四旋翼飞行器实现了升力和姿态的控制,到 1923 年年底,以低高度成功试飞了大约 100 次。但因为整机成本太高,操作复杂和等因素,使得本来支持研发的美国军方也对其丧失了研究兴趣。虽然美军的计划并没有因为这个产品而得到解决,但是这个产品的出现使得美军的计划有了明确的未来和发展。3图 1-2 Curtiss-Wright 的 VZ-7(3)在 1990 年的早期,美国工程师 Mike Dammar 设计的四轴飞行器,它是由电池这个能源来提供电力的,它叫做 Draganflyer,如图 1.3 所示。也被称为四轴飞行器的第一代,它为四轴飞行器的未来发展证明了对的方向,未来四轴飞行器得到了大力发展,各种四轴飞行器应运而生。图 1-3 Draganflyer 四轴飞行器(4)2010 年后,由 Parrot 设计的四轴飞行器,它叫 AR.Drone,如图 1.4 所示。它可以通过苹果的 IOS 系统的连接 WiFi 的电子产品来实现遥控能力。它还搭配了许多个传感器模块,包涵了前置,直立式摄像机头与超声波发生器。还有三轴加速计与陀螺仪。法国 Parrot 无人机公司是目前国际上主流的几家无人机公司之一。其开发的四旋翼无人机以可使用 i Pad、iPhone、iPod Touch 上的软件对其进行控制见长,可基于自身发出的 Wi-Fi 信号进行操控。摄像而得的画面会实时传送到显示屏上。自动驾驶仪可轻松实现起飞和降落。当它与敌人在房间里面埋伏时发生战斗,整个外壳将保护它免受冲击。AR.Drone 由碳纤维和高耐 PA66 塑料制成。所有部件均可替换,以便简单快速维修。但是当时只是定位为一种高科技玩具。轻便、灵活、安全、控制简单等优秀的性能,致使它开始流行,这也带动了四旋翼飞行器的发展。在类似玩具中,四旋翼飞行器的优势明显,相比于尺寸相同的固定翼其飞行更加稳定,而相比于尺寸相同的直升机其结构简单成本低。它也就是四轴飞行器进步的阶梯以及渐完美的体现。4图 1-4 Parrot 的 AR.Drone(5)2013 年,国内大疆设计的 Phantom,如图 1.5 所示 ,这是 DJI 首款可用于空
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