1机械原理实验一-四旋翼飞行器实验指导书

实验一四旋翼飞行器实验指导书一、实验目的1.通过对四旋翼无人机结构的分析，了解四旋翼无人机的基本结构、工作的原理和传动控制系统；2.练习采用手机控制终端来控制无人机飞行，并了解无人机飞行大赛的相关内容，及程序开发变为智能飞行无人机。二、实验设备和工具1.Parrot公司AR.Drone2.0四旋翼飞行器一架；2.苹果手机一部；3.蓝牙数据传输设备一套。4.自备铅笔、橡皮、草稿纸。三、实验内容1、了解四旋翼无人机的基本结构；2、了解四旋翼无人机的传动控制路线；3、掌握四旋翼无人机的飞行控制的基本操作；4、了解四旋翼无人机翻转动作的机理；5、能根据指令控制无人机完成特定操作。四、实验说明1、四旋翼飞行器的介绍任何由人类制造、能飞离地面、在空间飞行并由人来控制的飞行物，称为飞行器。在大气层内飞行的飞行器称为航空器，如气球、滑翔机、飞艇、飞机、直升机等。它们靠空气的静浮力或空气相对运动产生的空气动力升空飞行。飞行器不仅广泛应用于军事，在民用领域的作用也在增加，机载GPS和MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)惯性传感器的飞行器甚至可以在没有人为控制的室外环境中飞行。对飞行器的研究目前主要包括固定翼、旋翼及扑翼式三种，四旋翼飞行器在布局形式上属于旋翼的一种，相对于别的旋翼式飞行器来说四旋翼飞行器结构紧凑，能产生更大的升力，而且不需要专门的反扭矩桨保持飞行器扭矩平衡。四旋翼飞行器能够垂直起降，不需要滑跑就可以起飞和着陆，从而不需要专门的机场和跑道，降低了使用成本，可以分散配置，便于伪装，对敌进行突袭和侦察。四旋翼飞行器能够自由悬停和垂直起降，结构简单，易于控制，这些优势决定了其具有广泛的应用领域，不但具有一般战场需要的各种作战功能，比如侦察监视，为其他作战武器指示目标等，甚至可以作为投放武器的载体。目前现有的无人机模型制造厂有很多，如表1－1，业内最为领先的即是法国派诺特Parrot公司。表1－1无人机模型制造商简表名称简介图片2、四旋翼飞行器的基本结构旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。结构形式如图1－2所示。图1－2四旋翼飞行器的结构形式3、四旋翼飞行器的工作原理四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。图1－3四旋翼飞行器沿自由度飞行的示意图四旋翼飞行器的电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。在上图中，电机1和电机3作逆时针旋转，电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。（1）垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。（2）俯仰运动：在图（b）中，电机1的转速上升，电机3的转速下降（改变量大小应相等），电机2、电机4的转速保持不变。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转，同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。（3）滚转运动：与图b的原理相同，在图c中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。（4）偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图d中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。（5）前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图e中，增加电机3转速，使拉力增大，相应减小电机1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。（在图b图c中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。）（6）倾向运动：在图f中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。五、四旋翼飞行器的控制与操作步骤1、学生自行用IPHONE手机下载并安装AR.FreeFlight四旋翼飞行器控制软件。2、检查飞行器结构是否完好无损；3、安装电沲并装好安全罩；4、连接WIFI，打开手机AR.FreeFlight软件，进入控制界面；5、软件启动，设备连通，即可飞行。6、启动和停止由TAKEOFF控制；上下左右表示：上下为飞行器上升和下降、左右为飞行器自行回转，以控制摄像头拍摄的方向。7、设置说明8、飞行示例六、注意事项1.飞行器在同一时间只能由一部手机终端进行控制；2.飞行之前，要检查螺旋浆处是否有障碍物干涉；3.飞行之后禁止用手去接飞行器，以免螺旋浆损伤手部；4.电量不足时，不可强制启动飞行；5.翻转特技飞行时，要注意飞行器距地面高度大于4米以上；6.飞行器不得触水；7.飞行器最大续航时间10分钟。七、实验要求及实验报告实验过程要严格按照指导老师要求进行，不可违规操作。实验完毕，上交一份实验报告，内容如下：1.整理四旋翼飞行器的传动控制路线。2.总结四旋翼飞行器各种飞行状态的原理。3.说明四旋翼飞行器自由度的情况？4.说明四旋翼飞行器垂直上升时，两组螺旋浆的转向情况，并说明为什么这样设计？5.飞行器动力传动中用了何种类型的齿轮机构，试计算传动比，另说明为什么设计成无此大的传动比？注：实验报名于实验结束之后一周内上交。宫文峰制