郭子豪 張玥 孟慶然 李廣杰

【摘 要】通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)的四旋翼轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行改進(jìn)，將傳統(tǒng)四旋翼依靠旋翼差速轉(zhuǎn)向的機(jī)制改成依靠內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)改變方向。同時(shí)旋翼只提供支撐飛行器自身的升力，對(duì)控制系統(tǒng)的要求降低，簡化了控制程序，同時(shí)通過機(jī)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(jī)抗逆性。

【關(guān)鍵詞】四旋翼；機(jī)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(duì)旋翼機(jī)進(jìn)行研究和使用，但旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)模型，是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)、多變量、強(qiáng)耦合、非線性和不確定等特征。目前國際上對(duì)旋翼機(jī)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(jī)控制程序相對(duì)復(fù)雜，不利于個(gè)人的研究使用。

本文針對(duì)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(jì)思路

現(xiàn)階段的四旋翼是依靠旋翼的差速來實(shí)現(xiàn)機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致操控是比較困難的，因此需要生產(chǎn)商對(duì)旋翼機(jī)的轉(zhuǎn)向進(jìn)行優(yōu)化，本文提出的設(shè)計(jì)中，將轉(zhuǎn)向裝置與動(dòng)力系統(tǒng)分離，在此基礎(chǔ)上實(shí)行模塊化控制。

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

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）機(jī)械部分設(shè)計(jì)簡述

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

利用機(jī)械陀螺儀對(duì)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(jìn)行設(shè)計(jì)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(gè)螺旋槳形成不同的機(jī)體結(jié)構(gòu)層。

（二）機(jī)身與機(jī)械陀螺儀的轉(zhuǎn)化

通過對(duì)機(jī)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(yùn)動(dòng)，至少需要三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。當(dāng)旋翼機(jī)在空中懸停并保持穩(wěn)定的時(shí)候，可以將四個(gè)旋翼及固定的機(jī)架看成機(jī)械陀螺儀的外部環(huán)。

同時(shí)對(duì)機(jī)身部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，將重要電子部件和電源等結(jié)構(gòu)集成到機(jī)身內(nèi)部，同時(shí)對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，在機(jī)身內(nèi)部加入分離層，與固定機(jī)架形成完整的陀螺儀結(jié)構(gòu)。（圖3）三、動(dòng)力設(shè)計(jì)

針對(duì)動(dòng)力的提供，采用“Y8”的電機(jī)布置。即采用四反方向旋轉(zhuǎn)的共軸電機(jī)。

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

四、飛行控制設(shè)設(shè)計(jì)

通過對(duì)四旋翼結(jié)構(gòu)的改變，四旋翼的每個(gè)方向都可以作為前進(jìn)方向，換而言之，改變結(jié)構(gòu)后的四旋翼四個(gè)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(jī)械和程序相結(jié)合的控制方式，能夠更加簡單的進(jìn)行方向的控制。

如圖5所示，只需要同時(shí)改變四對(duì)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(jìn)而向某一方向前進(jìn)。（旋翼在不同角度的轉(zhuǎn)速依據(jù)四旋翼質(zhì)量確定）

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