多旋翼飞机模型的设计与三维打印制造
多旋翼飞行器是一种结构简单紧凑的直降式飞行器。由于其灵巧且易于控制，能平稳的保持空中姿态等优点，广泛应用于军事和民用活动中。四轴飞行器是最基本，最简单的飞行器，但也有着较为广阔的发展前景。本课题介绍了国际上与多旋翼国内飞行器的发展状况，对目前主流的四轴飞行器进行了分析，并涉及到了具体设计所包含的理论知识。通过三维建模软件进行外形结构框架进行设计并配合进行运动仿真，再通过三维打印成型。最后将实物进行装配调试。研究了四轴飞行器的结构特征、运动原理以及飞行控制原理。关键词 三维建模，三维打印，运动仿真，装配调试目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景及意义 1
1.2 国内外研究历史与现状 1
1.3 本文研究的主要内容 4
2 四轴飞行器的基本结构与工作原理 5
2.1 四轴飞行器的基本结构 5
2.2 四轴飞行器的工作原理 6
2.3 四轴飞行器的控制原理 9
3 建模及运动仿真 11
3.1 软件介绍 11
3.2 三维建模 11
3.3 配合 15
3.4 三维运动仿真 17
4 三维打印制造 18
4.1 三维打印技术的介绍和意义 18
4.2 本四轴飞行器零件的三维打印 19
5 装配调试 21
5.1 工具基础 21
5.2 装配过程 21
5.3 飞行调试 22
总结 24
致谢 25
参考文献 26
1 绪论
1.1 课题背景及意义
四轴飞行器是一种无人飞行器，由于结构简单，控制方式便捷，各方面的技术前沿，所以有很好的研究意义。所谓无人飞行器就是指能够自主导航或者能够进行远程控制的飞行器。由于旋转翼本身的结构紧凑、不需要很大的起飞面积、可垂直进行升降、可实现悬浮等特点，在军事和民用方面被广泛运用。在民用方面四轴飞行器的作用主要体现在高空建筑探测、化学区域检测、地铁内部路线检查、广告宣传、交通管理等等。比如某些公司为了达到摄影爱好者和企业的要求，用四
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
行器，由于结构简单，控制方式便捷，各方面的技术前沿，所以有很好的研究意义。所谓无人飞行器就是指能够自主导航或者能够进行远程控制的飞行器。由于旋转翼本身的结构紧凑、不需要很大的起飞面积、可垂直进行升降、可实现悬浮等特点，在军事和民用方面被广泛运用。在民用方面四轴飞行器的作用主要体现在高空建筑探测、化学区域检测、地铁内部路线检查、广告宣传、交通管理等等。比如某些公司为了达到摄影爱好者和企业的要求，用四轴飞行器进行一些航拍活动；也有用来进行游戏开发的；物流行业也引进了四轴飞行器的技术，亚马逊已经尝试用多旋翼无人机进行快递运输。在军用方面也有大量运用，因为较高的隐蔽性和灵活可靠的操作性，受到各个国家军队的青睐，用在如无人探测、电磁干扰、高空救援、监控战场等。相信四旋翼飞行器在未来还会有更深更广的运用，其商业作用和市场潜力也不容小觑[1~3]。
四轴飞行器是众多飞行器中被研究开发最普遍的，所以成为各种科研所和商业公司的项目。它所用到的技术有：机械设计、动力学、控制系统、电子电路等方面，并且在未来发展有很大的前景。自己在做出一个四轴飞行器过程中，拓宽了自己的知识面，了解了专业发展的状况与形势，并能为以后的工作学到一点实在的东西。
1.2 国内外研究历史与现状
1.2.1四轴飞行器的发展历史
无人飞行器（UAV）是指装备动力系统，而不要人操作的飞行器[4]；它通过旋翼转动对空气产生作用力来抵消飞行器自身的重力，并实现全自动飞行或遥控飞行；随着科学技术的发展与提升，无人飞行器产业有了蓬勃发展，它的普遍运用，降低了任务成本，减少了人员使用。
依据旋翼类型不同，飞行器有固定翼飞行器和旋翼飞行器之分[5]。经过了几十年的发展，固定翼飞行器的发展较为迅速，战争中为美国、以色列的成功提供了保障，在军事中体现了它不可代替的作用。20世纪80年代，以色列在战场上运用无人飞行器的案例让世界各国认识到无人飞行器在以后战争中的作用，因此，美军也使用了以色列所产的“先锋”无人飞行器装备在海军部队，以完成各种军事任务，并在海湾战争中大放异彩；美军在“伊拉克行动”中也使用大量无人机，主要用于识别目标，有着很重要的军事意义。
1.2.2四轴飞行器的国内外现状
四轴飞行器的研究在国外十分活跃。最先的四轴飞行器是在1907年由Richet教授协助Breguet兄弟制造的“旋翼机号”，它由四个钢管焊接而成的支架作为支撑，为了抵消机翼产生的扭力矩，使用了交叉配合的旋翼。
Draganflyer是RC公司研发的一款产品，能实现无线远程控制，允许用户控制它的最大高度8000英尺(2400米)。其中控制系统包括：与遥控器感应的无线接收装置，测量三个角速度的角速度传感器，处理所获得信息的数据处理器。它允许设置一个固定的高度。直升机安装一个摄像头,可以收集到五百字节的实时记录数据。它可以设置为记录1080 HD,昏暗视觉和热视力。摄像机安装在震动的无人驾驶飞机。Draganflyer有六个转子和能飞的速度每小时20英里(32公里)。无人机由单一控制操作符和一个手持控制器。控制器戴眼镜,显示实时的摄像头记录下来了。Draganflyer的外形如图1.1所示[6]。
图1.1 Draganflyer外形图
Quattrocopter是德国EADS公司研发的一款四轴飞行器，重1.1磅，长约0.65米，重约500克。在控制方面，是由德国国研究人员设计的RC接受系统，另外，MEMS惯性测量传感器、气压传感器和GPS定位系统也为飞行器的稳定运行提供了保证。其锂电池容量能为飞行器提供25分钟的飞行时间，能承受一定的负重，它的实物图如图1.2所示。
图1.2 Quattrocopter飞行器图
在2005年前后，多旋翼飞行器才在性能上趋于稳定。由于技术上的缺失，世界上之前还没有出现这种拥有良好控制性能的飞行控制器的无人机，这种小巧、结构简单、操作方彪的飞行器突然问世，引来许多研发者的注意力，纷纷投入到多旋翼飞机的研究和试用中。2010年，法国设计师设计制造了一款风靡全球的四轴飞行器AR.Drone。法国公司Parrot也打开了四轴飞行器的市场，虽然只是一个科技时代的玩具，但它有着鲜明的性能优点：轻巧、灵动、操控简单，是一个实用可靠的航拍工具，并能通过wifi将图片传到手机上。
图1.3 AR.Drone实物图
在国内方面，许多公司也将多旋翼飞行器在市场上成功推广与发售。其中国内最具有代表性的四轴飞行器研制公司是大疆。大疆公司拥有先进的多轴飞行器研究技术，随着芯片的集成化小型化发展，大疆也成为了业内的佼佼者。大疆无人飞行器产品技术先进、稳定可靠，成为广大航模拍摄爱好者的极佳选择。其打造的最新飞行器，拍摄视野十分广阔，配上能自动收放的起落架，广泛应用于航拍、遥感测绘、森林防火、搜索救援、广告推广等各行业。从国内外发展速度来说，中国无人机行业的发展还较为落后，需要更多的研发精力与经济投入，争取早日追上世界主流的步伐。
图1.4 大疆无人机
到2012年前后，四轴飞行器的控制在国际上已经脱离了学术研究，而成为了一项较为成熟的技术。研究者们也
1 绪论 1
1.1 课题背景及意义 1
1.2 国内外研究历史与现状 1
1.3 本文研究的主要内容 4
2 四轴飞行器的基本结构与工作原理 5
2.1 四轴飞行器的基本结构 5
2.2 四轴飞行器的工作原理 6
2.3 四轴飞行器的控制原理 9
3 建模及运动仿真 11
3.1 软件介绍 11
3.2 三维建模 11
3.3 配合 15
3.4 三维运动仿真 17
4 三维打印制造 18
4.1 三维打印技术的介绍和意义 18
4.2 本四轴飞行器零件的三维打印 19
5 装配调试 21
5.1 工具基础 21
5.2 装配过程 21
5.3 飞行调试 22
总结 24
致谢 25
参考文献 26
1 绪论
1.1 课题背景及意义
四轴飞行器是一种无人飞行器，由于结构简单，控制方式便捷，各方面的技术前沿，所以有很好的研究意义。所谓无人飞行器就是指能够自主导航或者能够进行远程控制的飞行器。由于旋转翼本身的结构紧凑、不需要很大的起飞面积、可垂直进行升降、可实现悬浮等特点，在军事和民用方面被广泛运用。在民用方面四轴飞行器的作用主要体现在高空建筑探测、化学区域检测、地铁内部路线检查、广告宣传、交通管理等等。比如某些公司为了达到摄影爱好者和企业的要求，用四
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
行器，由于结构简单，控制方式便捷，各方面的技术前沿，所以有很好的研究意义。所谓无人飞行器就是指能够自主导航或者能够进行远程控制的飞行器。由于旋转翼本身的结构紧凑、不需要很大的起飞面积、可垂直进行升降、可实现悬浮等特点，在军事和民用方面被广泛运用。在民用方面四轴飞行器的作用主要体现在高空建筑探测、化学区域检测、地铁内部路线检查、广告宣传、交通管理等等。比如某些公司为了达到摄影爱好者和企业的要求，用四轴飞行器进行一些航拍活动；也有用来进行游戏开发的；物流行业也引进了四轴飞行器的技术，亚马逊已经尝试用多旋翼无人机进行快递运输。在军用方面也有大量运用，因为较高的隐蔽性和灵活可靠的操作性，受到各个国家军队的青睐，用在如无人探测、电磁干扰、高空救援、监控战场等。相信四旋翼飞行器在未来还会有更深更广的运用，其商业作用和市场潜力也不容小觑[1~3]。
四轴飞行器是众多飞行器中被研究开发最普遍的，所以成为各种科研所和商业公司的项目。它所用到的技术有：机械设计、动力学、控制系统、电子电路等方面，并且在未来发展有很大的前景。自己在做出一个四轴飞行器过程中，拓宽了自己的知识面，了解了专业发展的状况与形势，并能为以后的工作学到一点实在的东西。
1.2 国内外研究历史与现状
1.2.1四轴飞行器的发展历史
无人飞行器（UAV）是指装备动力系统，而不要人操作的飞行器[4]；它通过旋翼转动对空气产生作用力来抵消飞行器自身的重力，并实现全自动飞行或遥控飞行；随着科学技术的发展与提升，无人飞行器产业有了蓬勃发展，它的普遍运用，降低了任务成本，减少了人员使用。
依据旋翼类型不同，飞行器有固定翼飞行器和旋翼飞行器之分[5]。经过了几十年的发展，固定翼飞行器的发展较为迅速，战争中为美国、以色列的成功提供了保障，在军事中体现了它不可代替的作用。20世纪80年代，以色列在战场上运用无人飞行器的案例让世界各国认识到无人飞行器在以后战争中的作用，因此，美军也使用了以色列所产的“先锋”无人飞行器装备在海军部队，以完成各种军事任务，并在海湾战争中大放异彩；美军在“伊拉克行动”中也使用大量无人机，主要用于识别目标，有着很重要的军事意义。
1.2.2四轴飞行器的国内外现状
四轴飞行器的研究在国外十分活跃。最先的四轴飞行器是在1907年由Richet教授协助Breguet兄弟制造的“旋翼机号”，它由四个钢管焊接而成的支架作为支撑，为了抵消机翼产生的扭力矩，使用了交叉配合的旋翼。
Draganflyer是RC公司研发的一款产品，能实现无线远程控制，允许用户控制它的最大高度8000英尺(2400米)。其中控制系统包括：与遥控器感应的无线接收装置，测量三个角速度的角速度传感器，处理所获得信息的数据处理器。它允许设置一个固定的高度。直升机安装一个摄像头,可以收集到五百字节的实时记录数据。它可以设置为记录1080 HD,昏暗视觉和热视力。摄像机安装在震动的无人驾驶飞机。Draganflyer有六个转子和能飞的速度每小时20英里(32公里)。无人机由单一控制操作符和一个手持控制器。控制器戴眼镜,显示实时的摄像头记录下来了。Draganflyer的外形如图1.1所示[6]。
图1.1 Draganflyer外形图
Quattrocopter是德国EADS公司研发的一款四轴飞行器，重1.1磅，长约0.65米，重约500克。在控制方面，是由德国国研究人员设计的RC接受系统，另外，MEMS惯性测量传感器、气压传感器和GPS定位系统也为飞行器的稳定运行提供了保证。其锂电池容量能为飞行器提供25分钟的飞行时间，能承受一定的负重，它的实物图如图1.2所示。
图1.2 Quattrocopter飞行器图
在2005年前后，多旋翼飞行器才在性能上趋于稳定。由于技术上的缺失，世界上之前还没有出现这种拥有良好控制性能的飞行控制器的无人机，这种小巧、结构简单、操作方彪的飞行器突然问世，引来许多研发者的注意力，纷纷投入到多旋翼飞机的研究和试用中。2010年，法国设计师设计制造了一款风靡全球的四轴飞行器AR.Drone。法国公司Parrot也打开了四轴飞行器的市场，虽然只是一个科技时代的玩具，但它有着鲜明的性能优点：轻巧、灵动、操控简单，是一个实用可靠的航拍工具，并能通过wifi将图片传到手机上。
图1.3 AR.Drone实物图
在国内方面，许多公司也将多旋翼飞行器在市场上成功推广与发售。其中国内最具有代表性的四轴飞行器研制公司是大疆。大疆公司拥有先进的多轴飞行器研究技术，随着芯片的集成化小型化发展，大疆也成为了业内的佼佼者。大疆无人飞行器产品技术先进、稳定可靠，成为广大航模拍摄爱好者的极佳选择。其打造的最新飞行器，拍摄视野十分广阔，配上能自动收放的起落架，广泛应用于航拍、遥感测绘、森林防火、搜索救援、广告推广等各行业。从国内外发展速度来说，中国无人机行业的发展还较为落后，需要更多的研发精力与经济投入，争取早日追上世界主流的步伐。
图1.4 大疆无人机
到2012年前后，四轴飞行器的控制在国际上已经脱离了学术研究，而成为了一项较为成熟的技术。研究者们也
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/3592.html
