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科技创新论文-%26%23160%3b四轴航拍飞行器动力系统的设计

硕士学位论文,上海,上海大学,秦永元惯性导航北京科学出版社,,王帅,周祥用于危险区域物品清理的四旋翼飞行抓捕手兵工自动化崔屹图像处理与分析数学形态学方法及应用北京科学出版社,刘曙光机器视觉及应用机械制造胡兆丰,何植岱,等飞行动力学北京国防工业出版社,李学国主动控制技术在飞机设计中的应用北京航空工业出版社,文献第章绪论引言世纪年代之后,随着微机电系统研究的成熟,几克重的惯性导航系统被制作了出来,使得多旋翼飞行器的自动控制器可以做了。但是传感器数据噪音很大,不能直接读出来用,于是人们又花了些年的时间研究去噪声的各种数学算法。这些算法以及自动控制器本身通常需要速度比较快的单片机来运行,于是人们又等了些年时间,等速度比较快的单片机诞生。接着人们再花了若干年的时间理解多旋翼飞行器的非线性系统结构,给它建模设计控制算法实现控制算法。因此,直到年左右,真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出来。之前直被各种技术瓶颈限制住的多旋翼飞行器系统突然出现在人们视野中,大家惊奇地发现居然有这样种小巧稳定可垂直起降机械结构简单的飞行器存在。时间研究者趋之若鹜,纷纷开始多旋翼飞行器的研发和使用。背景年,法国兄弟制造了第架四旋翼式直升机,这次飞行中没有用到任何旋翼式直升机,这次飞行中没有用到任何的控制,所以飞行稳定性是很差。图年,在美国俄亥俄州西南部城市代顿的美国空军部建造了另架大型的四旋翼直升机先后进行了架大型的四旋翼直升机,先后进行了多次的飞行试验但是仍然无法很好的控制其飞行,并且没有达到美国空军标准。图年,出现了种叫做的四旋翼直升机,直升机首次实现了的垂直飞行。图年,造了架四旋翼直升机,该飞行器的螺旋桨在直径上超过了英尺,用到了两个发动机,并且通过改变每个螺旋桨提供的推力了来控制飞行器。图在此之后的数十年中,四旋翼垂直起降机没有什么大的进展。近十几年来,随着微系统传感器以及控制理论等技术的发展四旋翼垂直降机制理论等技术的发展,四旋翼垂直起降机又引起人们极大的兴趣。研究集中在小型或微型四转动当四个电机转速不完全相同时,不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图中,当电机和电机的转速上升,电机和电机的转速下降时,旋翼和旋翼对机身的反扭矩大于旋翼和旋翼对机身的反扭矩,机身便在富余反扭矩的作用下绕轴转动,实现飞行器的偏航运动,转向与电机电机的转向相反。因为电机的总升力不变,飞机不会发会垂直运动。图五折叠前后运动要想实现飞行器在水平面内前后左右的运动,前后运动必须在水平面内对飞行器施加定的力。在图中,增加电机转速,使拉力增大,相应减小电机转速,使拉力减小,同时保持其它两个电机转速不变,反扭矩仍然要保持平衡。按上图图的理论,飞行器首先发生定程度的倾斜,从而使旋翼拉力产生水平分量,因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。当然在图中,飞行器在产生俯仰翻滚运动的同时也会产生沿轴的水平运动。图六折叠侧向运动在图中,由于结构对称,所以侧向飞行的工作原理与前后运动完全样。图第四章动力系统的设计电机电机是四轴航拍飞行器飞行控制器的执行机构,飞控系统通过控制电机的输出转化为旋翼转速的改变从而改变各个旋翼的升力,我们知道,由于在空中四旋翼的升力不样,那么四轴飞行器的姿态就会改变,因此飞行器的飞行方向和升降都可以控制住了。图图电机的工作电压为,小于人承受的最大电压,因此是安全的,其安全电流为,重量仅有,满足了质量尽量小的设计原则,能效高达以上,其转速高,功率大,功效高,质量轻。电池,充电器电池作为四轴航拍飞行器的核心动力来源,是整个飞行器正常工作的前提,它的正常工作与否直接决定着飞行器的运动,因此,在选择电池时需要慎重考虑,再者,为了满足飞行器自身动力的需求,又不加重整个飞行器的重量,经过对飞行器功率推算我们选择了航模电池图,充电器选择平衡充。电调无刷电机的转速控制通过改变电机电枢电压接通时间和通电周期比例值即占空比来改变平均电压的大小实现的。图台航拍四轴不仅电机要好,电调样不能疏忽。电调也就那么几个品牌可以选择。好点的主流品牌好盈,蜘蛛,中特威。航拍电调的标杆是好盈铂金电调了。以响应快速,细腻的油门手感而受到玩家的亲赖。价格也不贵。因此,本项目选用好盈铂金电调。图电池电调电调电调电调电机电机电机电机第五章用途与发展功能与应用小型的四轴飞行器可以自由地实现悬停和空间中的四轴飞行器自由移动,具有很大的灵活性。此外,因为它结构简单,机械稳定性好,所以成本低廉性价比很高。主要的应用是玩具航模,以及航拍,新的应用也在不断的拓展之中。图图技术前沿到年左右,国际上普遍认为四轴飞行器的控制已经不再是学术研究问题,而是成熟的技术。学术研究的方向也转向了基于四轴飞行器做智能导航或者多飞行器的编队控制。四轴飞行器的智能导航指的是利用机器视觉技术人工智能技术让四轴飞行器能像人样在复杂环境中活动。多飞行器的编队控制是指同时控制多个飞行器,或者让多个飞行器自主编队飞行。总之,四轴飞行器未来的应用前景很广阔,它的发展必将改变人们的生活和生产方式。参考文献赵晨四旋翼无人机应用湖北电力旋翼飞行器的结构飞行控制以及能源动力等方面。第二章四轴航拍飞行器的组成机身结构四轴飞行器其构造特点是在它的四个角上各装有旋翼,由电机分别带动,叶片可以正转,也可以反转。为了保持飞行器的稳定飞行,在四轴飞行器上装有个方向的陀螺仪和轴加速度传感器组成惯性导航模块,它还通过电子调控器来保证其快速飞行。图图动力系统我们知道,作为飞行器的动力系统,顾名思义是为飞行器提供动力的,四轴飞行器动力系统主要采用电池驱动电机带动桨叶旋转从而为飞行器提供升力。图图控制系统四轴飞行器控制系统是飞行器个非常重要的部分,相当于人的大脑,它控制着飞行器的姿态,运动,停止。图图第三章四轴航拍飞行器的原理结构原理如图所示,电机和电机逆时针旋转的同时,电机和电机顺时针旋转,因此当飞行器平衡飞行时,陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。四轴飞行器是个在空间具有个活动自由度分别沿个坐标轴作平移和旋转动作,但是只有个控制自由度四个电机的转速的系统,因此被称为欠驱动系统只有当控制自由度等于活动自由度的时候才是完整驱动系统。不过对于姿态控制本身分别沿个坐标轴作旋转动作,它确实是完整驱动的。与直升机相比,四轴飞行器可以实现的飞行姿态较少,不过基本的前进后退平移等状态都可以实现。但是四轴飞行器的机械结构远远比直升机简单,维修和更换的开销也非常小,这让四轴飞行器有了比直升机更大的应用优势。折叠自动控制原理为了保持飞行器的稳定飞行,在四轴飞行器上装有个方向的陀螺仪和轴加速度传感器组成惯性导航模块,可以计算出飞行器此时相对地面的姿态以及加速度角速度。飞行控制器通过算法计算保持运动状态时所需的旋转力和升力,通过电子调控器来保证电机输出合适的力。图基本运动原理折叠垂直运动图中,因有两对电机转向相反,可以平衡其对机身的反扭矩,当同时增加四个电机的输出功率,旋翼转速增加使得总的拉力增大,当总拉力足以克服整机的重量时,四旋翼飞行器便离地垂直上升反之,同时减小四个电机的输出功率,四旋翼飞行器则垂直下降,直至平衡落地,实现了沿轴的垂直运动。当外界扰动量为零时,在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时,飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。图二折叠俯仰运动图中,电机的转速上升,电机的转速下降,电机电机的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变,旋翼与旋翼转速改变量的大小应相等。由于旋翼的升力上升,旋翼的升力下降,产生的不平衡力矩使机身绕轴旋转方向如图所示,同理,当电机的转速下降,电机的转速上升,机身便绕轴向另个方向旋转,实现飞行器的俯仰运动。图三折叠滚转运动与上图图的原理相同,改变电机和电机的转速,保持电机和电机的转速不变,则可使机身绕轴旋转正向和反向,实现飞行器的滚转运动。图四折叠偏航运动四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩,为了克服反扭矩影响,可使四个旋翼中的两个正转,两个反转,且对角线上的来年各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关,当四个电机转速相同时,四个旋翼产生的反扭矩相互平衡,四旋翼飞行器不发折叠自动控制原理基本运动原理第五章用途与发展功能与应用技术前沿参考第四章动力系统的设计电机电池充电器电调背景

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