基于機械陀螺儀旋翼飛行器改裝設(shè)計

郭子豪 張玥 孟慶然 李廣杰

【摘 要】通過機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計將傳統(tǒng)的四旋翼轉(zhuǎn)向裝置進行改進，將傳統(tǒng)四旋翼依靠旋翼差速轉(zhuǎn)向的機制改成依靠內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)改變方向。同時旋翼只提供支撐飛行器自身的升力，對控制系統(tǒng)的要求降低，簡化了控制程序，同時通過機械結(jié)構(gòu)的改變，使得內(nèi)部環(huán)境更加的穩(wěn)定，提升了旋翼機抗逆性。

【關(guān)鍵詞】四旋翼；機械陀螺儀；程序簡化；提升穩(wěn)定性

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的人開始對旋翼機進行研究和使用，但旋翼飛行器的動力學模型，是一個欠驅(qū)動、多變量、強耦合、非線性和不確定等特征。目前國際上對旋翼機的程序控制已經(jīng)形成完整的理論體系，但是現(xiàn)有的無人機控制程序相對復雜，不利于個人的研究使用。

本文針對四旋翼現(xiàn)存的問題，提出一種新型的四旋翼結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)向控制。

一、設(shè)計思路

現(xiàn)階段的四旋翼是依靠旋翼的差速來實現(xiàn)機身的旋轉(zhuǎn)，導致操控是比較困難的，因此需要生產(chǎn)商對旋翼機的轉(zhuǎn)向進行優(yōu)化，本文提出的設(shè)計中，將轉(zhuǎn)向裝置與動力系統(tǒng)分離，在此基礎(chǔ)上實行模塊化控制。

同時，將傳統(tǒng)的機械陀螺儀加入機身的結(jié)構(gòu)設(shè)計。旋翼作為動力裝置與轉(zhuǎn)向裝置分離達到簡化程序的目的。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計

（一）機械部分設(shè)計簡述

通過對各自由度的陀螺儀的研究，利用陀螺儀的定軸性進行四旋翼的機械部分設(shè)計。

利用機械陀螺儀對內(nèi)部轉(zhuǎn)子空間位置具有穩(wěn)定作用這一性質(zhì)，將控制系統(tǒng)和能源部分的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化。將二者集成在一起制作形成四旋翼內(nèi)層的轉(zhuǎn)子，與外部的四個螺旋槳形成不同的機體結(jié)構(gòu)層。

（二）機身與機械陀螺儀的轉(zhuǎn)化

通過對機械陀螺儀的結(jié)構(gòu)分析，可以發(fā)現(xiàn)，若想要陀螺儀中間轉(zhuǎn)子保持自己的運動，至少需要三個自由度的運動補償。當旋翼機在空中懸停并保持穩(wěn)定的時候，可以將四個旋翼及固定的機架看成機械陀螺儀的外部環(huán)。

同時對機身部分的結(jié)構(gòu)進行改變，將重要電子部件和電源等結(jié)構(gòu)集成到機身內(nèi)部，同時對機身結(jié)構(gòu)進行改變，在機身內(nèi)部加入分離層，與固定機架形成完整的陀螺儀結(jié)構(gòu)。（圖3）三、動力設(shè)計

針對動力的提供，采用“Y8”的電機布置。即采用四反方向旋轉(zhuǎn)的共軸電機。

通過犧牲20%-30%的效率，保證每一組電機的穩(wěn)定性，同時也不需要相鄰兩組旋翼相互抵消因旋翼高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的機身反向旋轉(zhuǎn)。

四、飛行控制設(shè)設(shè)計

通過對四旋翼結(jié)構(gòu)的改變，四旋翼的每個方向都可以作為前進方向，換而言之，改變結(jié)構(gòu)后的四旋翼四個主方向完全一致。

因此，在四旋翼的飛行操控上可以大大減少程序的控制，通過機械和程序相結(jié)合的控制方式，能夠更加簡單的進行方向的控制。

如圖5所示，只需要同時改變四對旋翼的方向，并保證方向的改變相同，便可將四旋翼在懸停狀態(tài)下只產(chǎn)生豎直方向升力的平衡狀態(tài)改變，進而向某一方向前進。（旋翼在不同角度的轉(zhuǎn)速依據(jù)四旋翼質(zhì)量確定）

【參考文獻】

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