基本信息
- 項目名稱：
- 四旋翼飛行器設計
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 相對固定翼無人機而言，可垂直起降的旋翼無人機發(fā)展比較緩慢。這是因為VTOL 飛行器的控制遠比固定翼復雜，早期的技術水 比擬的優(yōu)點：能夠適應各種環(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)點決定了VTOL無人機比固定翼無人機具有更廣闊的應用前景。
- 詳細介紹：
- 四旋翼微型飛行器是一種六自由度的垂直起降機，因此非常適合靜態(tài)和準靜態(tài)條件下飛行,但是，四旋翼直升機只有四個輸入力， 同時卻有六個輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)。圖（1-1）為四旋翼微型飛行器的結(jié)構俯視圖。與傳統(tǒng)直升機相比，該飛行器有下列優(yōu)勢：側(cè)面電機1、3順時針旋轉(zhuǎn)的同時，前后電機2、4逆時針旋轉(zhuǎn)，因此當飛行器平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。 飛行器在三維空間中具有六個運動自由度，包括三個坐標軸方向的線運動和三個坐標軸方向的角運動。上下的平移運動是通過四個電機同時增速(減速)得到的，當四個電機的升力之和等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停。水平面內(nèi)的前后運動是電機1、2增速(減速)的同時，電機3、4減速(增速)，此時保持旋翼1、3對機身的反扭矩等于旋翼2、4對機身的反扭矩，在電機1、2與電機3、4的升力之差作用下機身發(fā)生傾斜，得到水平面內(nèi)的前后運動。俯仰運動是通過電機1、3轉(zhuǎn)速保持不變，電機2增速(減速)的同時，電機4減速(增速)得到的。 偏航運動是電機1、3增速(減速)的同時，電機2、4減速(增速)，此時旋翼1、3對機身的反扭矩大于(小于)旋翼2、4對機身的反扭矩，機身便在多余扭矩的作用下得到偏航運動。組合以上的基本運動,可以實現(xiàn)四旋翼微型飛行器的各種復雜運動。
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 撰寫目的：初步實現(xiàn)飛行器的升空并作出后退、懸停等一系列動作以及計算機模擬。 基本思路： 第一階段：查閱資料研究確定具有可行性的技術方案； 第二階段：設計電子電路； 第三階段：完成軟硬件的基礎調(diào)試及計算機模擬； 第四階段：飛行器調(diào)試試飛。 創(chuàng)新點： 四旋翼飛行器本身采用四個螺旋槳提供升力，飛行器的飛行控制完全依靠四個旋翼不同的旋轉(zhuǎn)速度來實現(xiàn)，這與普通直升飛機相比免去了主旋翼自身角度的變化，控制相對簡單。飛行控制由單片機控制，操作更加簡單，飛行更加平穩(wěn)。技術關鍵與難點： 飛行控制問題是微小型四旋翼無人直升機研制的關鍵問題，其主要有三個方面的困難：首先，對其進行精確建模非常困難；其次，微小型四旋翼無人直升機是一個具有六個自由度，而只有四個控制輸入的欠驅(qū)動系統(tǒng)，這使得飛行控制系統(tǒng)的設計變得非常困難；最后，通過一定的狀態(tài)估計方法獲得必要的狀態(tài)反饋是實現(xiàn)自主飛行控制的一大工程難點。這三個問題解決成功與否，是實現(xiàn)微小型四旋翼無人直升機自主飛行控制的關鍵，具有非常重要的研究價值。
科學性、先進性
- 四旋翼飛行器本身采用四個螺旋槳提供升力，飛行器的飛行控制完全依靠四個旋翼不同的旋轉(zhuǎn)速度來實現(xiàn)，這與普通直升飛機相比免去了主旋翼自身角度的變化，控制相對簡單。飛行控制由單片機控制，操作更加簡單，飛行更加平穩(wěn)。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 第八屆鄭航“挑戰(zhàn)杯”三等獎、并代表學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
技術轉(zhuǎn)讓方式
- 專利轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 模型
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 微小型四旋翼無人直升機具備VTOL飛行器的所有優(yōu)點：能夠適應各種環(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，具有廣闊的應用前景。軍事上可應用于情報獲取、地面戰(zhàn)場偵察、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，如重大自然災害之后的搜索與救援，巡邏監(jiān)視和目標跟蹤，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，微小型四旋翼無人直升機飛行控制技術的研究，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，世界上的四旋翼無人直升機基本上都屬于微小型無人飛行器，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。其機體長(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體材料，機載電子設備可以控制四個電機的轉(zhuǎn)速。另外，還使用了三個壓電晶體陀螺儀進行姿態(tài)增穩(wěn)控制。 世界上對小型四旋翼飛行器的研究主要集中在三個方面：基于慣導的自主飛行控制、基于視覺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)邦科技學院（EPFL)的OS4、賓夕法尼亞大學的HMX4和佐治亞理工大學的GTMARS。 GTMARS是佐治亞理工大學面向火星探測任務而設計的CAD無人機系統(tǒng)，其動力子系統(tǒng)和飛行控制子系統(tǒng)的設計方案均在第17屆美國直升機協(xié)會(AHS)學生設計競賽中獲得第一名。它重20kg，旋翼半徑0.92m，續(xù)航時間30min。折疊封裝的GTMARS隨四面體著陸器登陸火星后，能自動將機構展開，能自主起飛和降落，巡航速度可達72km/h。此外，它還能返回到著陸器補充能量。 雖然國際上已經(jīng)針對微小型四旋翼無人直升機進行了相當廣泛和深入的研究，在國內(nèi)，多數(shù)四旋翼愛好者仿制德國開源的成品機，而真正涉及飛控算法和底層硬件的少之又少。
