多旋翼无人机机架设计
日期： 2016年3月31日 【摘要】如今科技发展的如此迅速，随着大疆公司的精灵一代出来后，无人机一词是越来越普通民众的关注。而后大疆公司的出品的消费级无人机功能越来越完善。但是在专业航拍领域消费级无人机还是不能满足拍摄者的要求。自组无人机的市场开始逐渐火热起来。
目录
引言 1
一、多旋翼无人机的概述 2
二、 多旋翼无人机结构及组成 2
（一）机架 2
（二）机架材料 2
三、 设计技术参数 4
（一）机架轴数选择 4
（二）中心板设计 5
（三） 二次减震板设计 6
（四） 附加电机座设计 6
总结 8
参考文献 9
谢辞 10
引言
因此随着大疆公司的消费级无人机“精灵”一代的横空出世，无人机的词汇很快进入人们的脑海，大疆第一代的无人机还是个初代的产品功能相对较少。随着大疆公司消费级无人机功能越来越完善，普通人拥有无人机不在是梦。
随说大疆出品的消费级无人机功能越来完善画质越来好，但是还是无法满足专业级的航拍。因为大疆公司的无人机的相机拍摄的画质无法与单反相机相匹敌。这样就催生的一系列的专业级航拍的无人机，这些专业级的无人机主要是为搭载单反相机而设计的。此类无人机通常价格不菲，于是自组无人机开始逐渐火热起来，各种配件都可以在淘宝上购买到。
一、多旋翼无人机的概述
多旋翼无人机，是一种具有三个及以上旋翼轴的特殊的无人驾驶直升机。其通过每个轴上 的电动机转动，带动旋翼，从而产生升推力。旋翼的总距固定，而不像一般直升机那样可变。通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变单轴推进力的大小，从而控制飞行器的运行轨迹。（如图1）
图1 运行轨迹
二、 多旋翼无人机结构及组成
多旋翼无人机主要的组成部分就是，机架部分，飞行控制系统，动力系统，电力供应系统，当然还有任务相关的模块，这里我们主要谈论的就是机架部分，因为他是无人机的最基础的部分也是最重要的部分。
（一
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）机架
机架式整个多旋翼的身体部分，也是最为关键的大部件之一。一个好的机架不但要有足够的强度，还要足够轻。
（二）机架材料
当今有许多高科技材料。例如碳纤维，ABS，玻璃纤维等一系列的高科技材料。传统的大型飞机都采用航空铝合金，或者钛合金，由于大量使用这些材料现在的飞机可以做到非常的轻，而且还有足够的强度。
一般大型飞机的铝合金骨架几乎都是经过一系列的复杂工艺制作出来的，其价格高昂不是一般人能承受的起的。所以小型民用无人机不太采用此种材料作为飞机的机架。小型民无人航空器简称航模，航模在我国起步较晚。早前的小型民用无人航空器及架主要材料就是轻木，轻木的特点就是轻木是世界上最轻的商品用材，因其溶重最小、材质均匀、易加工，可用做多种轻型结构物的重要材料；如在航空工业户做夹心板材料；由于木材结构变异小，收缩膨胀也小，体积稳定性较好，轻木可以做各种展览的模型或塑料贴面板等材料。但是轻木很脆弱所以轻木不适合做多旋翼的机身。
玻璃纤维材料（如图21），是当下主流材料之一，玻璃纤维的抗拉强度比同成分的玻璃高几十倍，一般的抗拉强度只有40100Mpa，而拉制的玻璃纤维强度可达2000Mpa。所以用玻璃纤维板做成的机架强度适中，而且玻璃纤维板材料加工也非常的方便，用普通CNC雕刻床就可以加工出来，并且玻璃纤维板价格便宜易得。做出的机架在保证足够的强度的前提下，还能做到足够轻盈。但是美中不足的是玻璃纤维机架在做较大的机架时整体偏软，在电机高速转动时飞机整体抖动的厉害，所以玻璃纤维只适合小型机架的材料。
碳纤维材料，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维与传统的玻璃纤维相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯夫拉纤维相比，杨氏模量是其2倍左右。
碳纤维（如图22）拥有这些特性让它在作为机架材料时时最好的材料，而且碳纤维加工也相对方便，直接用CNC加工出即可。但是碳纤维也有着比较致命的缺点就是价格高。
对比以上几种材料我们发现只有玻璃纤维材料和碳纤维材料适合作为机架使用但是玻璃纤维不太适合大机架使用，所以只能选择碳纤维材料。
图21 玻璃纤维 图22 碳纤维
设计技术参数
轴距在580至680MM之间，四轴或者六轴，最大起飞重量5公斤。机架总重量不超过460g，要有足够的搭载能力。
（一）机架轴数选择
这里不选择六轴的设计，一是六轴造价相对四轴要高，而且整体重量也比较重。最重要的是四轴的设计还能减少飞机的摆放空间，而且四轴的携带性要比六轴好很多（图31）根据市面上的无数电机拉力参数（3508 搭配13寸桨）最大拉力为1524g，4个电机总拉力为6096g，这里我们为了方便后期改装的需要我们把轴距定为610mm（每个轴有一定的伸缩余量，方便调整），再结合节约成本和材料综合考虑我们选择四轴的设计。
现在我们以基本确定了设计方向和机架所需的材料，现在就要考虑机架的布局了。目前四轴机架有三种布局“X”型“十”型还有异型
“X”型机架最为普遍因为他有着良好的机动性和操纵性，而且在飞行拍摄中不会影响摄像机的工作，而且“X”型机架较为省电
“十”型机架其优点就是机动非常灵活，而且飞行速度非常快，有优点就会有缺点，“十”字型在速度灵活性都要比“X”型好几倍，但是“十”字型对飞控的算法要求很高，而且它的PID参数也不好调整，而且此种结构作为搭载平台效率也不高。
异性四轴机架（即 前后两周角度不一样），此种机架只适合用做小型四轴机架使用，不太适合中大型的机架使用。
图31 四轴机架
（二）中心板设计
作为一个搭载平台使用肯定要有足够的搭载空间才行，在这里我们参考了市面上的绝大数的机架平台，进过计算对比发现，一般的中心板的面积都在1dm2，在这1dm2上要装飞控系统图传传输系统飞控独立电源模块三轴云台相机系统电源分配模块。这些设备都放在这1dm2的面积上未免显得的有些拥挤（如图3233），所以在设计时要增大中心板的面积扩大到1.3dm2这样整个中心板就不会显得那么拥挤，在设计时为了增大中心板下面的空间，在使用管夹时刻意使用了高为25mm的管夹，虽说比普通的管夹只是提高了3mm，但是所带来效果却是非常的好，因为大部分模块的厚度都在24MM左右，这样有部分设备就可以放在中心板下方，这样中心板上面就不会太拥挤，这样整体的美观程度就会有大大的提升。（如图34）
目录
引言 1
一、多旋翼无人机的概述 2
二、 多旋翼无人机结构及组成 2
（一）机架 2
（二）机架材料 2
三、 设计技术参数 4
（一）机架轴数选择 4
（二）中心板设计 5
（三） 二次减震板设计 6
（四） 附加电机座设计 6
总结 8
参考文献 9
谢辞 10
引言
因此随着大疆公司的消费级无人机“精灵”一代的横空出世，无人机的词汇很快进入人们的脑海，大疆第一代的无人机还是个初代的产品功能相对较少。随着大疆公司消费级无人机功能越来越完善，普通人拥有无人机不在是梦。
随说大疆出品的消费级无人机功能越来完善画质越来好，但是还是无法满足专业级的航拍。因为大疆公司的无人机的相机拍摄的画质无法与单反相机相匹敌。这样就催生的一系列的专业级航拍的无人机，这些专业级的无人机主要是为搭载单反相机而设计的。此类无人机通常价格不菲，于是自组无人机开始逐渐火热起来，各种配件都可以在淘宝上购买到。
一、多旋翼无人机的概述
多旋翼无人机，是一种具有三个及以上旋翼轴的特殊的无人驾驶直升机。其通过每个轴上 的电动机转动，带动旋翼，从而产生升推力。旋翼的总距固定，而不像一般直升机那样可变。通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变单轴推进力的大小，从而控制飞行器的运行轨迹。（如图1）
图1 运行轨迹
二、 多旋翼无人机结构及组成
多旋翼无人机主要的组成部分就是，机架部分，飞行控制系统，动力系统，电力供应系统，当然还有任务相关的模块，这里我们主要谈论的就是机架部分，因为他是无人机的最基础的部分也是最重要的部分。
（一
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
）机架
机架式整个多旋翼的身体部分，也是最为关键的大部件之一。一个好的机架不但要有足够的强度，还要足够轻。
（二）机架材料
当今有许多高科技材料。例如碳纤维，ABS，玻璃纤维等一系列的高科技材料。传统的大型飞机都采用航空铝合金，或者钛合金，由于大量使用这些材料现在的飞机可以做到非常的轻，而且还有足够的强度。
一般大型飞机的铝合金骨架几乎都是经过一系列的复杂工艺制作出来的，其价格高昂不是一般人能承受的起的。所以小型民用无人机不太采用此种材料作为飞机的机架。小型民无人航空器简称航模，航模在我国起步较晚。早前的小型民用无人航空器及架主要材料就是轻木，轻木的特点就是轻木是世界上最轻的商品用材，因其溶重最小、材质均匀、易加工，可用做多种轻型结构物的重要材料；如在航空工业户做夹心板材料；由于木材结构变异小，收缩膨胀也小，体积稳定性较好，轻木可以做各种展览的模型或塑料贴面板等材料。但是轻木很脆弱所以轻木不适合做多旋翼的机身。
玻璃纤维材料（如图21），是当下主流材料之一，玻璃纤维的抗拉强度比同成分的玻璃高几十倍，一般的抗拉强度只有40100Mpa，而拉制的玻璃纤维强度可达2000Mpa。所以用玻璃纤维板做成的机架强度适中，而且玻璃纤维板材料加工也非常的方便，用普通CNC雕刻床就可以加工出来，并且玻璃纤维板价格便宜易得。做出的机架在保证足够的强度的前提下，还能做到足够轻盈。但是美中不足的是玻璃纤维机架在做较大的机架时整体偏软，在电机高速转动时飞机整体抖动的厉害，所以玻璃纤维只适合小型机架的材料。
碳纤维材料，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维与传统的玻璃纤维相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯夫拉纤维相比，杨氏模量是其2倍左右。
碳纤维（如图22）拥有这些特性让它在作为机架材料时时最好的材料，而且碳纤维加工也相对方便，直接用CNC加工出即可。但是碳纤维也有着比较致命的缺点就是价格高。
对比以上几种材料我们发现只有玻璃纤维材料和碳纤维材料适合作为机架使用但是玻璃纤维不太适合大机架使用，所以只能选择碳纤维材料。
图21 玻璃纤维 图22 碳纤维
设计技术参数
轴距在580至680MM之间，四轴或者六轴，最大起飞重量5公斤。机架总重量不超过460g，要有足够的搭载能力。
（一）机架轴数选择
这里不选择六轴的设计，一是六轴造价相对四轴要高，而且整体重量也比较重。最重要的是四轴的设计还能减少飞机的摆放空间，而且四轴的携带性要比六轴好很多（图31）根据市面上的无数电机拉力参数（3508 搭配13寸桨）最大拉力为1524g，4个电机总拉力为6096g，这里我们为了方便后期改装的需要我们把轴距定为610mm（每个轴有一定的伸缩余量，方便调整），再结合节约成本和材料综合考虑我们选择四轴的设计。
现在我们以基本确定了设计方向和机架所需的材料，现在就要考虑机架的布局了。目前四轴机架有三种布局“X”型“十”型还有异型
“X”型机架最为普遍因为他有着良好的机动性和操纵性，而且在飞行拍摄中不会影响摄像机的工作，而且“X”型机架较为省电
“十”型机架其优点就是机动非常灵活，而且飞行速度非常快，有优点就会有缺点，“十”字型在速度灵活性都要比“X”型好几倍，但是“十”字型对飞控的算法要求很高，而且它的PID参数也不好调整，而且此种结构作为搭载平台效率也不高。
异性四轴机架（即 前后两周角度不一样），此种机架只适合用做小型四轴机架使用，不太适合中大型的机架使用。
图31 四轴机架
（二）中心板设计
作为一个搭载平台使用肯定要有足够的搭载空间才行，在这里我们参考了市面上的绝大数的机架平台，进过计算对比发现，一般的中心板的面积都在1dm2，在这1dm2上要装飞控系统图传传输系统飞控独立电源模块三轴云台相机系统电源分配模块。这些设备都放在这1dm2的面积上未免显得的有些拥挤（如图3233），所以在设计时要增大中心板的面积扩大到1.3dm2这样整个中心板就不会显得那么拥挤，在设计时为了增大中心板下面的空间，在使用管夹时刻意使用了高为25mm的管夹，虽说比普通的管夹只是提高了3mm，但是所带来效果却是非常的好，因为大部分模块的厚度都在24MM左右，这样有部分设备就可以放在中心板下方，这样中心板上面就不会太拥挤，这样整体的美观程度就会有大大的提升。（如图34）
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