多旋翼飛行器設(shè)計與控制理論 -第03講-機架設(shè)計V2

2024/5/281趙州橋東方智慧2024/5/282在多旋翼設(shè)計中需要注意些什么？核心問題大綱1.布局設(shè)計2.結(jié)構(gòu)設(shè)計3.本講小結(jié)2024/5/2831.布局設(shè)計2024/5/284

機身基本布局圖3.1:傳統(tǒng)四旋翼的結(jié)構(gòu)形式（1）交叉型按飛行方向與機身關(guān)系，又分為+字型和X字型。目前常用的X字型結(jié)構(gòu)，因為：機動性更強前視相機的視場角不容易被遮擋。1.布局設(shè)計2024/5/285

機身基本布局（2）環(huán)型與傳統(tǒng)交叉型機架相比，其剛性更大可較大程度避免飛行中機架所產(chǎn)生的振動，增加了機架結(jié)構(gòu)強度。增加了機架的重量，轉(zhuǎn)動慣量，靈活性降低。圖3.2:環(huán)形四旋翼的結(jié)構(gòu)形式(a)示意圖(b)實物圖2024/5/286

旋翼安裝（1）常規(guī)布局和共軸雙槳1）共軸雙槳優(yōu)點不增加多旋翼整體尺寸減少螺旋槳對照相機視場的遮擋2）注意會降低單個螺旋槳的效率。大概共軸雙槳只相當(dāng)于1.6個螺旋槳根據(jù)實驗[1]推薦

圖3.3:常規(guī)布局和共軸雙槳布局示意圖圖3.4:共軸雙槳的簡單連接示意圖[1]BohorquezF.Rotorhoverperformanceandsystemdesignofanefficientcoaxialrotarywingmicroairvehicle[Ph.D.dissertation],UniversityofMarylandCollegePark,USA,2007.1.布局設(shè)計Ehang(億航)184飛行器上下槳葉旋轉(zhuǎn)方向相反抵消陀螺力矩2024/5/287

旋翼安裝（2）槳盤角度1.布局設(shè)計圖3.5:槳盤水平和槳盤傾斜多旋翼的前飛方式圖3.6:槳盤傾斜多旋翼CyPhyLVL11）螺旋槳槳盤水平裝配簡單需云臺使相機保持水平2）螺旋槳槳盤傾斜裝配

至少六個槳（為什么？）

無需云臺2024/5/288

旋翼安裝（2）槳盤角度1.布局設(shè)計視頻：CyPhyLVL1飛行視頻2024/5/289

旋翼安裝1.布局設(shè)計（3）旋翼朝向槳盤位于機臂位置上方：1）螺旋槳產(chǎn)生拉力2）著陸階段不易碰到障礙，而損傷槳3）遮擋相機視野小槳盤位于機臂位置下方1）螺旋槳產(chǎn)生推力2)下洗氣流完整，防雨，氣流低于飛控氣壓計高度準(zhǔn)確，不脫槳大疆Phantom深圳零度Xplorer極飛XMission億航Ghost2024/5/2810

旋翼和機體半徑1.布局設(shè)計圖3.7:多旋翼機體半徑與最大旋翼半徑示意圖

2024/5/2811

旋翼和機體半徑1.布局設(shè)計實驗[2]表明，當(dāng)槳與槳之間的距離從1個槳半徑到0.1個槳半徑變化時，氣流對飛行器的整體性能影響很小。因此，為了使飛行器盡量的緊湊，可以取螺旋槳半徑rp滿足[2]HarringtonAM.OptimalPropulsionSystemDesignforAMicroQuadRotor[Masterdissertation].UniversityofMarylandCollegePark,USA,2011.圖3.7:多旋翼機體半徑與最大旋翼半徑示意圖2024/5/2812

尺寸和機動性關(guān)系1.布局設(shè)計減小多旋翼機體尺寸對多旋翼慣性、有效負載具有很大影響，并最終影響最大可達角加速度α和位移加速度

。（1）馬赫數(shù)尺度限制(這里符號“~”

表示“在同一數(shù)量級”)（2）弗勞德數(shù)尺度限制尺寸越大機動性越差Tp,Mp為單個螺旋槳的拉力與力矩，T,M為多旋翼總拉力與力矩，ω為槳葉轉(zhuǎn)速，R為多旋翼機架半徑，J為多旋翼轉(zhuǎn)動慣量，rp為螺旋槳半徑。2024/5/2813

重心位置1.布局設(shè)計

在設(shè)計時，需要將重心設(shè)計到多旋翼的中心軸上。另外的一個問題是將重心設(shè)計到多旋翼螺旋槳形成的槳盤平面的上方還是下方呢？圖3.8:Freefly多旋翼的兩種相機安裝方式2024/5/2814

重心位置1.布局設(shè)計圖3.9:多旋翼受力簡化圖（1）多旋翼前飛情形在右圖中，誘導(dǎo)的來流會產(chǎn)生平行于槳盤平面的阻力如圖(a)，如果多旋翼重心在槳盤平面下方，那么阻力形成的力矩會促使多旋翼俯仰角轉(zhuǎn)向0度方向如圖(b)，若多旋翼重心在槳盤平面上，那么阻力形成的力矩會促使多旋翼俯仰角朝發(fā)散方向發(fā)展，直至翻轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)多旋翼前飛時，重心在槳盤平面的下方會使前飛運動穩(wěn)定。2024/5/2815

重心位置1.布局設(shè)計圖3.9:多旋翼受力簡化圖（2）多旋翼風(fēng)干擾情形當(dāng)陣風(fēng)吹來，誘導(dǎo)的來流會產(chǎn)生平行于槳盤平面的阻力如圖(c)，如果多旋翼重心在下，那么阻力形成的力矩會促使多旋翼俯仰角朝發(fā)散的方向發(fā)展，直至翻轉(zhuǎn)。如圖(d)，若多旋翼重心在上，那么阻力形成的力矩會促使多旋翼俯仰趨向于0。因此，當(dāng)多旋翼受到外界風(fēng)干擾時，重心在槳盤平面的上方可以抑制擾動。2024/5/2816

重心位置1.布局設(shè)計（3）結(jié)論無論重心在槳盤平面的上方或下方都不能使多旋翼穩(wěn)定。需要通過反饋控制將多旋翼平衡。然而，如果重心在槳盤平面很靠上的位置，會使多旋翼某個運動模態(tài)很不穩(wěn)定。因此，實際中建議將重心靠近多旋翼的中心，或者根據(jù)需求可以稍微靠下。這樣控制器控制起來更容易些。關(guān)于更具體的內(nèi)容可參考文獻[3]。[3]BristeauPJ,MartinP,SalaunE,etal.TheroleofpropelleraerodynamicsinthemodelofaquadrotorUAV.In:ControlConference(ECC).European:IEEE,2009.683-688圖3.10:重心高度與穩(wěn)定性的關(guān)系[3，F(xiàn)ig.7]2024/5/2817

自駕儀安裝位置1.布局設(shè)計

理想位置應(yīng)在多旋翼的中心。若自駕儀離飛行器中心較遠，由于存在離心加速度和切向加速度,將會引起加速度計的測量誤差,即“桿臂效應(yīng)”。(1)標(biāo)準(zhǔn)安裝方位(2)代用安裝方位Pixhawk/APM2自駕儀可在超過30度角的方位安裝在機架上，需要通過相應(yīng)的軟件設(shè)置重新得到自駕儀安裝在機體上的標(biāo)準(zhǔn)方位。圖3.11:飛控板安裝位置2024/5/2818

氣動布局1.布局設(shè)計對外形進行設(shè)計主要是為了降低飛行時的阻力。按其產(chǎn)生的原因不同可分為（1）摩擦阻力（2）壓差阻力（3）誘導(dǎo)阻力（4）干擾阻力。要減少該阻力，需要妥善考慮和安排各部件之間的相對位置關(guān)系，部件連接處盡量圓滑過渡，減少漩渦產(chǎn)生。圖3.12:壓差阻力示意圖2024/5/28191.布局設(shè)計圖3.13:具有一定外形設(shè)計的多旋翼

氣動布局設(shè)計建議：（1）需要考慮多旋翼前飛時的傾角，減少最大迎風(fēng)面積。（2）并設(shè)計流線型機身（3）考慮和安排各部件之間的相對位置關(guān)系，部件連接處盡量圓滑過渡，飛機表面也要盡量光滑（4）通過CFD仿真計算阻力系數(shù)，不斷優(yōu)化2.結(jié)構(gòu)設(shè)計2024/5/2820

機體基本設(shè)計原則（1）剛度、強度滿足負載要求，機體不會發(fā)生晃動、彎曲；（2）滿足其他設(shè)計原則下，重量越輕越好；（3）合適的長寬高比，各軸間距、結(jié)構(gòu)布局適宜；（4）飛行過程中，滿足其他設(shè)計原則下，保證機體振動越小越好；（5）美觀耐用。2.結(jié)構(gòu)設(shè)計2024/5/2821

減振設(shè)計（1）減振意義

1）飛控板上的加速度傳感器對振動十分敏感，而加速度信號直接關(guān)系到姿態(tài)角和位置的估計，因此十分重要。具體地：加速度信號直接關(guān)系到姿態(tài)角和姿態(tài)角速率的估計。飛控程序融合了加速度計和氣壓計、GPS數(shù)據(jù)來估計飛行器的位置。而在飛行器定高、懸停、返航、導(dǎo)航、定點和自主飛行模式下，位置估計很關(guān)鍵

2)減振另外一個重要的作用是提高成像的質(zhì)量，這樣就可以不依賴云臺。這對于多旋翼的小型化至關(guān)重要。2.結(jié)構(gòu)設(shè)計2024/5/2822

減振設(shè)計（2）振動的主要來源機體振動主要來源于機架變形、電機和螺旋槳不對稱。1）機架機架變形特別是機臂變形會導(dǎo)致產(chǎn)生異步振動，所以機臂的剛度越大越好；一般的碳纖維多旋翼機架具有足夠的抗扭特性和抗彎特性；相比而言，鋁制機架剛性更好,但更重；要保證電機與機臂的安裝連接,以及機臂與控制云臺的安裝連接是安全可靠的，并具有一定的減震緩沖效果。圖3.15:Nixie可穿戴四旋翼概念機2.結(jié)構(gòu)設(shè)計2024/5/2823

減振設(shè)計（2）振動的主要來源2）電機電機能夠平滑穩(wěn)定運行；槳夾需要和電機軸承、螺旋槳中心共軸，避免電機轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生偏心力；電機平衡。2.結(jié)構(gòu)設(shè)計2024/5/2824

減振設(shè)計（2）振動的主要來源3）螺旋槳螺旋槳平衡調(diào)節(jié)器；螺旋槳應(yīng)匹配機架型號和機體重量，并在順逆時針旋轉(zhuǎn)時具有相同的韌性；碳纖維剛度大，但旋轉(zhuǎn)時存在安全隱患；低速大螺旋槳相比于高速小槳效率更高，但是振動幅度較大。2.結(jié)構(gòu)設(shè)計2024/5/2825

減振設(shè)計（3）振動強度約束

1）一般在多旋翼橫向振動強度低于0.3g，在縱向振動要求低于0.5g。

2）實際工程中要求所有軸振動強度在±0.1g之內(nèi)。若以上問題都考慮了，那么只需要再考慮其他減振手段了圖3.16:噪聲大時的位置估計，來源網(wǎng)站

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計2024/5/2826

減振設(shè)計（4）自駕儀與機架的隔振

1）傳統(tǒng)做法上，雙面泡沫膠帶和尼龍扣已被應(yīng)用于把自駕儀固定在機架上。

2）在許多情況下，因為自駕儀質(zhì)量很小，導(dǎo)致泡沫膠帶或尼龍扣不能起到足夠的減振作用。如右圖，已被測試過的可行的隔振方案有：Dubro泡沫、凝膠墊、O形環(huán)懸掛安裝和耳塞式安裝等。3）目前市面上也有飛控減振器，。它由2塊玻纖支架，4個減震球和2塊泡棉膠墊組成。圖3.17:隔振方案,來源圖3.08:減振器2.結(jié)構(gòu)設(shè)計2024/5/2827

減噪設(shè)計（1）螺旋槳噪聲的主要危害

1）多旋翼機身將處于螺旋槳所直接輻射的聲場中，各靈敏傳感器可能會受到噪聲的影響而失真。2）噪聲影響周圍飛行環(huán)境，產(chǎn)生噪聲污染。特別是多旋翼在居民區(qū)飛行時產(chǎn)生的噪音。3）若考慮不周，螺旋槳輻射的噪聲所誘發(fā)的機體結(jié)構(gòu)振動與聲疲勞，有可能嚴(yán)重影響飛機的安全性。4）小型多旋翼出于隱秘偵查的需求，需要保持飛行時的足夠安靜。2.結(jié)構(gòu)設(shè)計2024/5/2828

減噪設(shè)計（1）螺旋槳發(fā)聲原理1）旋轉(zhuǎn)噪聲具有一定厚度的螺旋槳槳葉周期性地掃過周圍空氣介質(zhì)，并導(dǎo)致空氣微團的周期性非定常運動，于是就產(chǎn)生了厚度噪聲;負載噪聲是拉力噪聲與阻力噪聲的組合，是由于槳葉葉面的壓力場變化而引起的。2）寬帶噪聲螺旋槳的寬帶噪聲是由槳葉與湍流之間相互作用產(chǎn)生的槳葉負載隨機變化引起。對于飛行器螺旋槳和各類葉輪機械來說，其共同特征是由旋轉(zhuǎn)葉片發(fā)聲。高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳會導(dǎo)致氣流脈動的產(chǎn)生，而強烈脈動的氣流會以噪聲的形式向外釋放。一般而言，螺旋槳噪聲可進一步區(qū)分為旋轉(zhuǎn)噪聲和寬帶噪聲。2.結(jié)構(gòu)設(shè)計2024/5/2829

減噪設(shè)計（2）減噪措施對于多旋翼來說增大槳距或槳葉直徑可以有效減小葉尖速度，從而減弱槳葉葉尖失速產(chǎn)生的噪聲；通過減小槳葉的總體積，我們就可以減小槳葉剖面的相對厚度和弦長，從而大幅度降低厚度噪聲；對于給定的拉力設(shè)計要求，增加螺旋槳葉數(shù)可以減小葉片尺寸和轉(zhuǎn)速，從而降低翼尖線速度，減弱葉片的噪聲輻射；通過設(shè)計改進槳葉形狀，將噪聲功率向內(nèi)徑方向移動來實現(xiàn)降噪；機載的聲傳感器可以探測到某個螺旋槳所產(chǎn)生的噪聲，通過閉環(huán)反饋，系統(tǒng)可以利用另一個螺旋槳進行相應(yīng)的抗噪，從而抵消所產(chǎn)