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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 四旋翼飛行器設(shè)計(jì)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 相對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)而言，可垂直起降的旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展比較緩慢。這是因?yàn)閂TOL 飛行器的控制遠(yuǎn)比固定翼復(fù)雜，早期的技術(shù)水 比擬的優(yōu)點(diǎn)：能夠適應(yīng)各種環(huán)境；具備自主起飛和著陸能力，高度智能化；能以各種姿態(tài)飛行，如懸停、前飛、側(cè)飛和倒飛等。這些優(yōu)點(diǎn)決定了VTOL無(wú)人機(jī)比固定翼無(wú)人機(jī)具有更廣闊的應(yīng)用前景。
- 詳細(xì)介紹：
- 四旋翼微型飛行器是一種六自由度的垂直起降機(jī)，因此非常適合靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下飛行,但是，四旋翼直升機(jī)只有四個(gè)輸入力， 同時(shí)卻有六個(gè)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。圖（1-1）為四旋翼微型飛行器的結(jié)構(gòu)俯視圖。與傳統(tǒng)直升機(jī)相比，該飛行器有下列優(yōu)勢(shì)：側(cè)面電機(jī)1、3順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，前后電機(jī)2、4逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí)，陀螺效應(yīng)和空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消。 飛行器在三維空間中具有六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，包括三個(gè)坐標(biāo)軸方向的線運(yùn)動(dòng)和三個(gè)坐標(biāo)軸方向的角運(yùn)動(dòng)。上下的平移運(yùn)動(dòng)是通過(guò)四個(gè)電機(jī)同時(shí)增速(減速)得到的，當(dāng)四個(gè)電機(jī)的升力之和等于飛行器的自重時(shí)，飛行器便保持懸停。水平面內(nèi)的前后運(yùn)動(dòng)是電機(jī)1、2增速(減速)的同時(shí)，電機(jī)3、4減速(增速)，此時(shí)保持旋翼1、3對(duì)機(jī)身的反扭矩等于旋翼2、4對(duì)機(jī)身的反扭矩，在電機(jī)1、2與電機(jī)3、4的升力之差作用下機(jī)身發(fā)生傾斜，得到水平面內(nèi)的前后運(yùn)動(dòng)。俯仰運(yùn)動(dòng)是通過(guò)電機(jī)1、3轉(zhuǎn)速保持不變，電機(jī)2增速(減速)的同時(shí)，電機(jī)4減速(增速)得到的。 偏航運(yùn)動(dòng)是電機(jī)1、3增速(減速)的同時(shí)，電機(jī)2、4減速(增速)，此時(shí)旋翼1、3對(duì)機(jī)身的反扭矩大于(小于)旋翼2、4對(duì)機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在多余扭矩的作用下得到偏航運(yùn)動(dòng)。組合以上的基本運(yùn)動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)四旋翼微型飛行器的各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 撰寫(xiě)目的：初步實(shí)現(xiàn)飛行器的升空并作出后退、懸停等一系列動(dòng)作以及計(jì)算機(jī)模擬。 基本思路： 第一階段：查閱資料研究確定具有可行性的技術(shù)方案； 第二階段：設(shè)計(jì)電子電路； 第三階段：完成軟硬件的基礎(chǔ)調(diào)試及計(jì)算機(jī)模擬； 第四階段：飛行器調(diào)試試飛。 創(chuàng)新點(diǎn)： 四旋翼飛行器本身采用四個(gè)螺旋槳提供升力，飛行器的飛行控制完全依靠四個(gè)旋翼不同的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)，這與普通直升飛機(jī)相比免去了主旋翼自身角度的變化，控制相對(duì)簡(jiǎn)單。飛行控制由單片機(jī)控制，操作更加簡(jiǎn)單，飛行更加平穩(wěn)。技術(shù)關(guān)鍵與難點(diǎn)： 飛行控制問(wèn)題是微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)研制的關(guān)鍵問(wèn)題，其主要有三個(gè)方面的困難：首先，對(duì)其進(jìn)行精確建模非常困難；其次，微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)是一個(gè)具有六個(gè)自由度，而只有四個(gè)控制輸入的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這使得飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得非常困難；最后，通過(guò)一定的狀態(tài)估計(jì)方法獲得必要的狀態(tài)反饋是實(shí)現(xiàn)自主飛行控制的一大工程難點(diǎn)。這三個(gè)問(wèn)題解決成功與否，是實(shí)現(xiàn)微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)自主飛行控制的關(guān)鍵，具有非常重要的研究?jī)r(jià)值。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 四旋翼飛行器本身采用四個(gè)螺旋槳提供升力，飛行器的飛行控制完全依靠四個(gè)旋翼不同的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)，這與普通直升飛機(jī)相比免去了主旋翼自身角度的變化，控制相對(duì)簡(jiǎn)單。飛行控制由單片機(jī)控制，操作更加簡(jiǎn)單，飛行更加平穩(wěn)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 第八屆鄭航“挑戰(zhàn)杯”三等獎(jiǎng)、并代表學(xué)校參加河南省第九屆“挑戰(zhàn)杯”
作品所處階段
- 軟件和硬件的調(diào)試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 模型
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)具備VTOL飛行器的所有優(yōu)點(diǎn)：能夠適應(yīng)各種環(huán)境；具備自主起飛和著陸能力，高度智能化；能以各種姿態(tài)飛行，如懸停、前飛、側(cè)飛和倒飛等，具有廣闊的應(yīng)用前景。軍事上可應(yīng)用于情報(bào)獲取、地面戰(zhàn)場(chǎng)偵察、監(jiān)視、近距離空中支持、禁飛巡邏、電子戰(zhàn)、通信中繼等方面；在民用方面一樣大有可為，如重大自然災(zāi)害之后的搜索與救援，巡邏監(jiān)視和目標(biāo)跟蹤，緝毒和反走私，高壓線、大橋、水壩和地震后路段的檢查，航拍和成圖等。 總之，微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)飛行控制技術(shù)的研究，從理論和工程的角度都具有重要意義。
同類課題研究水平概述
- 目前，世界上的四旋翼無(wú)人直升機(jī)基本上都屬于微小型無(wú)人飛行器，一般可分為三類：遙控航模四旋翼飛行器、小型四旋翼飛行器以及微型四旋翼飛行器。 遙控航模四旋翼飛行器的典型代表是美國(guó)Draganflyer公司研制的DraganflyerⅢ。它是一款世界著名的遙控航模四旋翼飛行器，主要用于航拍。其機(jī)體長(zhǎng)(翼尖到翼尖)76.2cm，高18cm，重481.1g，旋翼直徑28cm，重6g，有效載荷113.2g，可持續(xù)飛行16-20min。采用了碳纖維和高性能塑料作為機(jī)體材料，機(jī)載電子設(shè)備可以控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。另外，還使用了三個(gè)壓電晶體陀螺儀進(jìn)行姿態(tài)增穩(wěn)控制。 世界上對(duì)小型四旋翼飛行器的研究主要集中在三個(gè)方面：基于慣導(dǎo)的自主飛行控制、基于視覺(jué)的自主飛行控制和自主飛行器系統(tǒng)方案，其典型代表分別是：瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院（EPFL)的OS4、賓夕法尼亞大學(xué)的HMX4和佐治亞理工大學(xué)的GTMARS。 GTMARS是佐治亞理工大學(xué)面向火星探測(cè)任務(wù)而設(shè)計(jì)的CAD無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，其動(dòng)力子系統(tǒng)和飛行控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案均在第17屆美國(guó)直升機(jī)協(xié)會(huì)(AHS)學(xué)生設(shè)計(jì)競(jìng)賽中獲得第一名。它重20kg，旋翼半徑0.92m，續(xù)航時(shí)間30min。折疊封裝的GTMARS隨四面體著陸器登陸火星后，能自動(dòng)將機(jī)構(gòu)展開(kāi)，能自主起飛和降落，巡航速度可達(dá)72km/h。此外，它還能返回到著陸器補(bǔ)充能量。 雖然國(guó)際上已經(jīng)針對(duì)微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行了相當(dāng)廣泛和深入的研究，在國(guó)內(nèi)，多數(shù)四旋翼愛(ài)好者仿制德國(guó)開(kāi)源的成品機(jī)，而真正涉及飛控算法和底層硬件的少之又少。
