教学用四轴飞行器的主体结构设计与建模

颜世玉 赵海滨 周川翔

摘   要：四轴飞行器在航空、民用、军事等领域有着广阔的应用前景。本文论述了一种教学用小型四轴飞行器的主体结构轻量化设计与建模，其具有演示、简单航拍、陆空两用等功能。包括零件的设计、材料选择以及整体三维模型的装配。最后给出了ANSYS分析结果，表明所设计的飞行器可行，具有一定的教学意义和实际价值。

关键词：四轴飞行器  结构设计  建模  ANSYS分析

中图分类号：TN403                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）08（c）-0061-03

Abstract： Four-Axis aircraft has broad application prospects in aviation， civil， military and other fields. This paper describes the lightweight design and modeling of the main structure of a small four-axis aircraft for teaching， which has the functions of demonstration， simple aerial photography， land-air dual-purpose and so on. The part design， material selection and assembly of the whole three-dimensional model are discussed in this paper. Finally， the results of ANSYS analysis show that the designed aircraft is feasible and has certain teaching significance and practical value.

Key Words： Four-axis aircraft; Structure design; Modeling; ANSYS analysis

四轴飞行器具有结构简单、灵活性强，并可实现垂直起降和多样化扩展功能的特点，是航空领域的研究热点之一[1]。同时，在电力、农田等民用领域以及敌情检测、地图绘制等军事领域也有着广阔的应用前景[2]。

无人机已经进入课堂。本文论述一种教学用四轴飞行器的主体结构设计与建模，该飞行器具有简单航拍、陆空两用模式以及应急降落保护功能。

1  四轴飞行器的运动原理

四轴飞行器在空间坐标系内的机体运动主要有升降、俯仰、横滚和偏航几种，可以将其抽象为如图1所示的力学模型[3]。

图1中，F前、F左、F后、F右表示4个旋翼所产生的升力的矢量;M前、M左、M后、M右表示4个旋翼所产生的力矩的矢量。

通过控制电机的转速的变化，改变旋翼所产生的升力和力矩的变化，即可实现飞行器位姿的变化。

以升降运动来讲，通过电机的速度控制，当机体的4个旋翼的升力相同，升力的合力大于机体重力时实现机体的上升;升力的合力等于机体重力时实现机体的悬停;升力的合力小于机体重力时实现机体的下降，如图2所示。

表1列出了飞行器在各种运动姿态时的电机转速变化。

2  四轴飞行器机架的设计

2.1 机架的基本结构

机架的主要零件包括力臂、上面板、下面板、挂载板及脚架等。

力臂即为四轴飞行器的机翼，是搭载电机以及螺旋桨的部分。四轴飞行器的上面板和下面板主要用以连接四个力臂，同时下面板还具有搭载传感器模块以及控制芯片的作用。挂载板通过连接杆和脚架一起连接在一起，而脚架起支撑整个机身的作用，特别是在四旋翼飞行器降落时起减震的作用。图3为挂载板和脚架的结构，并且为减轻机身重量进行了镂空处理。

出于对减轻机身自重的考虑，采用了碳纤维作为机架的材质。作为小型飞行器，考虑到市面，飞行器的尺寸控制在500mm3×330mm3×330mm3左右。

2.2 三维模型

由于四轴飞行器的整体尺寸控制在500mm3×330mm3

330mm3左右，因此处于对角位置的两电机中心的距离应在450mm左右，相邻的两电机中心的距离为390mm，所以将螺旋桨选型为1047。型号前两位代表螺旋桨长度为10英寸，即254mm;后两位代表螺距为47。

通过对机架的质量的计算，并考虑飞行器还带有功能性模块，估算其最大质量为2～3kg，由此得到升降运动时每个机翼所需要的最小升力，从而确定电机[4]。根据计算，本文所设计的飞行器選用朗宇Angel系列的A2212-980KV2-3S外转子无刷电机，980KV代表无刷电机在1V电压下转速可达980r/min。

通过机架、螺旋桨、电机的建模、装配，四轴飞行器的三维模型如图4所示。

3  重要部件的ANSYS分析

由机架的整体结构可知，四轴飞行器本身质量并不大，零件强度完全足够。但当其搭载云台等辅助系统的时候，则需要对其进行一定的校核。

根据飞行器的最大估算质量（2～3kg），以此作为载荷条件，并对连接杆两端施加约束，得到应力形变图，如图5所示。

由图中可以看到连接杆所受最大应力为8MPa，最大形变量为0.05mm。查阅相关资料，可以得知6061铝合金的极限抗拉强度为124 MPa，受拉屈服强度为55.2MPa，延展率为25%，在此受载的状况下，完全满足条件。

4  结语

本文通过对四轴飞行器的运动原理的分析，论述了一种具有航拍、紧急降落、陆空两用等功能的教学用四轴飞行器的主体结构设计、建模及电机选择，并利用ANSYS软件，对飞行器受载危险部分进行了应力形变的分析，结果表明本设计具有一定的教学意义和实际应用价值。

参考文献

[1] 姜香菊，曾幼涵，刘二林. 四旋翼飞行器带速度补偿的多回路PID位置跟踪控制[J]. 测控技术，2017，36（4）：74-78.

[2] 刘浩蓬，龙长江，万鹏，等. 植保四轴飞行器的模糊PID控制[J]. 农业工程学报，2015，31（1）：71-77.

[3] 刘杰. 四轴飞行器研究与设计[D]. 南京：南京邮电大学， 2013.

[4] 张琛. 直流无刷电动机原理及应用[M]. 北京：机械工业出版社， 2003.