简易四旋翼飞行器制作明细.docx

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简易四旋翼飞行器制作明细

无人飞行器应用概述

及四旋翼遥控飞行器

的制作

2016年04月26日

序————

遥控飞机是一种由无线电遥控设备以及地面程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。

从技术角度定义可以分为：

无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机等。

自二十世纪初，全球无人机技术的普及将无人飞行器的应用推广开来，现已形成了军用，民用等多个不同体系，通过搭载不同的机载设备，无人飞行器可以具备多种实用性功能。

随着无人飞行器技术的发展而逐渐形成的自动化、模块化、可持续航行等诸多技术标准已经使得无人飞行器的制作与使用变得更为简单，高效。

本次设计为四旋翼于无人遥控飞行器的制作与开发，运用所学电子工艺技术以及电路知识，完成对飞行器的基本电路设计，实现无人飞行器基本功能。

无人飞行器的构成包括飞行平台，动力装置，导航飞控系统，电气系统，任务设备，显示系统，操纵系统，机载设备，地面控制装置等。

无人飞行器设计，以无人飞行器基本构成思想为指导，在保证基本组件及基本模块正确使用的前提下，对飞行器相关结构进行简化，减小飞行器体积，减轻飞行器质量，在提高飞行器易操作性及灵活性的同时，也无形中延长了飞行器的空中续航时间，使得飞行器的高空能力得到进一步提升。

本次设计着重阐述无人飞行器设计以及制作关键步骤，通过对制作过程的细致阐释，对纯手工制作无人飞行器进行关键性的、系统的、细致的的描述。

无人飞行器的概念及用途　

无人机所以会受到如此重视,其原因是自身所拥有的独特优势,现代科技的发展使得防空武器的性能日益提升,这无疑大大增加了有人机在空战中的风险程度,而无人机则适应了现代战争对减少乃至避免人员伤亡的要求。

再则,从研制、使用和维护成本看,相当于有人机而言,无人机的研制、使用和维护成本要低廉得多。

更何况,无人机因其自身的优越性能,可以在超低空和超高空长时间盘旋,较之有人机其活动空间和范围更为广阔。

有鉴于此,研制和发展无人机成为各国军方尤其是发达国家军方的重要选择。

近年来,无人机的研制和发展在许多国家受到极为广泛的重视,为进一步促进和推动无人机的研制和发展进程,本文拟对无人机制作和开发做系统介绍和分析,以期在无人机研制和发展方面提供可资借鉴的思路。

无人飞行器无驾驶舱，但安装有地面控制、程序控制装置等设备。

地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。

与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点。

由于无人驾驶飞机对未来空战有着重要的意义。

接下来对无人飞行器的概念及用途进行阐述。

1侦查监视

这也是无人机最早的用途之一。

无人飞行器可以深入阵地前沿和敌后。

它依靠装在机上的可见光照相机、电影摄影机、标准或微光电视摄像机、红外扫描器和雷达等设备，完成各种侦察和监视任务。

一般来说，一架无人机可携带一种或几种侦察设备，按预定的程序或地面指令进行工作，最后将所获得的信息和图像随时传送回地面，供有关部门使用；也可以将获得的所有信息记录下来，待无人飞行器回收时一次取用。

随着高新技术的发展和应用，无人飞行器上的设备性能也在不断提高，同时还增加了一些新的装备，应用范围进一步扩大。

如装备全球定位系统（GPS）后，无人飞行器可与侦察卫星和有人驾驶侦察机配合使用，形成高、中、低空，多层次、多方位的立体空中侦察监视网，使所获得的情报信息更加准确可靠。

2骗敌诱饵

使用无人飞行器吸引敌方的火力或整个防空系统，进而将其破坏或摧毁，是近一二十年人们为无人飞行器开发出的新用途。

作为诱饵之用的无人飞行器，其主要使命是协同其他电子侦察设备遂行诱骗侦察；或作为突防工具，为有人驾驶飞机提供防空压制；或与反辐射武器配合使用，压制和摧毁敌防空系统。

为此，这种无人飞行器与其他用途的无人飞行器有所不同。

为了提高作为诱饵的欺骗效果，常常要采取一些措施，如进行特殊设计，并装上适当的电子设备，使其具有与欲模拟的目标有相仿的机动能力和信号特征；安装角反射器等无源装置，增大无人飞行器的雷达反射面积；安装射频放大设备，增强雷达反射信号。

总之，就是千方百计让敌方容易发现它，吸引敌方的注意力。

一般来说，在执行诱骗任务时，诱骗无人飞行器先在前沿阵地上空模仿有人驾驶飞机作战术飞行，刺激或诱发敌防空武器系统中的雷达开机，然后己方侦察设备趁机完成侦察任务。

用作突防工具时，无人飞行器先于己方的攻击机群从侧面到达敌防空体系所保护的目标区，迷惑敌方雷达，消耗敌防空兵器。

这些无人飞行器由于采用了增大雷达反射截面积和信号强度等措施，具有很强的欺骗性。

敌方的雷达将首先截获到这些假目标，但很难识别，导致把这些错误的情报传递到敌火控雷达系统和防空武器。

这样，一方面可使敌防空雷达网在对付这些假目标上消耗大量时间，另一方面敌武器系统会对其开火或发射导弹，消耗防空火力，从而降低对己方攻击机的威胁。

事实证明，诱饵无人飞行器曾在几次局部战争中发挥了相当重要的作用。

例如，在1973年的第四次中东战争中，以色列使用美国的“鹧鸪”式小型无人机作为诱饵，欺骗敌防空火力，掩护自己的飞机进攻。

据介绍，曾有1架无人机诱使32枚“萨姆”导弹对其发射。

随后，以军的F－4战斗机和A一4攻击机紧随其后，顺利完成了对埃军阵地的攻击任务。

3实施干扰

无人飞行器可用于对敌方通信系统进行干扰，使其通信中断，指挥失灵。

发展趋势是向干扰雷达和干扰通信同时进行方式发展。

因为要想使敌方地域的所有雷达都受到完全干扰是不大可能的，那么未受干扰压制的雷达所获得的有关目标的信息，可以通过通信线路传送到已受干扰雷达阵地上。

所以，只有在干扰雷达时，同时对通信系统也予以干扰，才能使敌方高炮和导弹阵地无法得到所需要的情报信息。

为此，一架无人飞行器可同时装备两种或两种以上的干扰设备，根据需要灵活运用；也可是两种或多种不同用途的无人飞行器或无人飞行器与电子战飞机之间的协同作战。

4对地攻击

作为一种空中运载工具，无人飞行器也能携带多种对地攻击武器，飞往前线或深入敌占区纵深，对地面军事目标进行打击；它可以用空对地导弹或炸弹对敌防空武器实施压制；用反坦克导弹等对坦克或坦克群进行攻击；用集束炸弹等武器对地面部队集结点等进行轰炸。

特别值得一提的是反辐射攻击无人飞行器。

这是一种利用敌方雷达辐射的电磁波信号，发现、跟踪，以至最后摧毁雷达的武器系统。

它不仅可用于攻击敌方雷达、干扰机和其他辐射源，而且高速反辐射无人机加装复合制导装置等设备后，还可用于攻击敌预警机和专用电子干扰飞机。

5通信中继

如美国的“先锋”式无人机装有抗干扰扩频通信设备、大功率固态放大器、全向甚高频和超高频无线电台中继设备等，可在C波段进行数据、信号、话音和图像通信，通信距离为185公里。

无人机除了具备上述7种功能外，还有其他飞机所不具备的特长。

一是费用低廉。

无人机的造价通常在几万至几十万美元之间。

与有人驾驶飞机相比，价格差距十分悬殊，相当于有人驾驶飞机的1/100～1/1000。

无人机操纵人员只需半年的常规培训，而培养一名有人驾驶飞机的飞行员，必须经过4年以上的专门培训，且耗资巨大。

无人机执行与有人机相同的任务时，所耗燃料也相当少，通常只占有人机的l%。

二是隐蔽性好，生存能力强。

无人机的长度基本在10米以内，重量大多在1～2吨之间；因此，它在空中活动十分轻捷自如，各种探测器材很难发现它的行踪。

三是使用简便，适应性好。

无人机既可以近距离滑跑升空，也可以直接发射升空；既可以在公路上起飞，也可以在海滩、沙漠上起飞，因而可在前线广泛使用。

无人机的回收也很方便，既可以用降落伞和拦阻网回收，也可以利用起落架、滑橇、机腹着陆。

此外，无人机能适应各种环境，可以毫无顾忌地进出核生化武器的沾染区，并可以在各种复杂气象条件下连续飞行。

6救灾应用

2011年3月10日云南盈江地震灾情发生后，装载有低空无人机航摄系统的测绘应急车连夜赶赴盈江县实施无人飞机航拍任务。

3月11日上午，第一架无人飞机于9:

00在盈江县城顺利起飞，对灾区全境进行了长达50分钟的航空摄影，成功获取到盈江灾区首批震后20平方千米、1000多张0.1米的高分辨率航空影像。

3月11日下午，无人飞机再次起飞，成功获得第二批航空影像数据并在第一时间传回北京。

这些宝贵的影像数据可以比其他观测手段更直观的进行灾后的灾害评估和重建决策。

无人飞行器的主要优势

1.更强的机动性——近代，战斗机内人体忍耐力会限制军队在快速行动期间利用飞机集中人员的数量，而无人战斗机消除了这一瓶颈，从而使得机动性大幅提高。

2.重量更小——重量可以影响很多方面，如续航时间、加速、有效载荷等。

毕竟驾驶舱内的一两名飞行员及所有物品会有很大的重量。

3..更好的空气动力——不需要驾驶舱顶蓬.

4.环境感知——利用无人战斗机能够在地面上构建虚拟座舱，这比飞机上安装任何装置都有效。

而且，对于执行制空任务而言，环境感知是很重要的，而空空作战并不需要在实际飞机上进行侦察。

5.不会让相关人员疲劳——地面飞行员可以控制他们的无人战斗机，执行任务时更舒适，更灵活。

6.耗资更低——飞行部队耗资更低。

所有的人机互动装置、生命维持、弹射座椅等会需要很多资金，但如果是无人战斗机，就仅需要人机交互装置，而且许多无人机可以共用一个，更低价，无需承受所有的压力。

相关人员只需与无人战斗机进行通信，而且飞机中已经有一些通信方式，所以不会有大的变化。

7.让飞行员远离危险——无人战斗机能够挽救飞行员的生命。

训练飞行员的成本很高，而且很难迅速进行替换。

8.无人战斗机能够开展远程超视距外空对空攻击以及视距内近程作战，而且无人战斗机成本低、数量与质量相当并且有可能用于与敌军同归于尽的战术中。

无人飞行器的相对不足

无人飞行器容易受到干扰以及人员因素的影响。

而且，无人战斗机的行动还存在滞后性，虽然无线电通信能够迅速传播，但在空战过程中反应时间也是至关重要的。

此外，无人飞行器还存在单点失效性：

一旦地面控制中心出现故障，那么无人飞行器便会丧失效用。

无人飞行器的功能及基本要求

本次无人飞行器设计的基本目标为实现无人飞行器的实物形成，在飞行器制作成功的基础上，完成地面人员可对无人飞行器进行自由操控。

无人飞行器的制作过程

无人飞行器制作基本理论

四轴无人飞行器，其构造特点是在它的四个角上各装有一旋翼，由电机分别带动，叶片可以正转，也可以反转。

为了保持飞行器的稳定飞行，在四轴飞行器上装有3个方向的陀螺仪和3轴加速度传感器组成惯性导航模块，它还通过电子调控器来保证其快速飞行。

此外，四轴飞行器之所以能够平稳飞行，就不得不提到两个核心组件，飞控与电调。

飞控的核心组成及大概原理

四轴飞行器相对于常规飞行器来讲，具有更为复杂的电子控制系统，在大部分常规飞行器上，陀螺仪并非常用组件，四轴飞行器与常规飞行器不同的地方在于其控制部分必须配备陀螺仪。

由于四轴飞行器较为特殊的动力组成部分以及外观结构，要保证四轴飞行器可以在空间内平稳飞行，飞控装置必须要搭载一枚三轴陀螺仪，在搭载陀螺仪的基础上，辅以一个三轴加速度传感器，在飞行器飞行过程中对其进行姿态感应，使飞行器能够随时保持平稳状态。

电调

四轴飞行器四个桨叶分为两组，在转向上分为正传与反转，通过桨叶相互之间的反向旋转抵销掉桨叶高速旋转时产生的扭力，使飞行器在方向上保持稳定。

在桨叶高速旋转的过程中，为了应对因细微姿态变化引起的抖动、漂移等情况，需要为电机配置四个相同的高灵敏度电调，时刻监测通过电机电流的大小，保证飞行姿态的稳定。

飞行器制作所需材料

由于条件限制，本次设计取材较为环保，下面就本次无人飞行器制作所用材料进行列举。

细铝管——取自废旧天线的铝合金细管，用于制作飞行器的部分机架。

铝窗架——废旧铝合金窗架，用于飞行器主要架构。

塑料瓶——用于安放飞行器控制电路。

橡皮筋——用于固定电池。

铆钉——若干

棉线——普通的棉线，用于飞行器部分结构的固定。

万能胶——用于飞行器机身的完美粘合。

塑料水彩笔盒——一个，用于制作遥控器。

高速电机——四个。

桨叶——四对。

50mm苯板一张——用于飞行器外框架及底座的制作。

700mAh航模用电池——二个。

五号干电池——若干。

以上为本次设计所要用到的基本材料，除此之外，在飞行器设计与制作的过程中，由于时间原因，采用了数个集成模块，列举如下：

迷你飞控电路——用于制作飞行器的核心电路。

简易宽频飞行器遥控电路——用于制作地面遥控装置。

飞行器制作

本次设计制作各材料以纯手工加工处理，下面着重描述加工及制作步骤。

1.飞行器机架的制作：

（1）取废旧铝合金窗架三根，去除边角，保留中间位置的方形管构，对其进行打磨处理，留作备用,见图

（1）。

（2）

图

（2）

取打磨好的方管一根，依预定尺寸切做四段；将切好的方管两端开口，斜切预留45°角，前后对应位置开口并打磨，各段中心位置打直径7mm圆孔并处理至光滑，备用，见图

（2）。

（3）将剩余二根方管按预定尺寸两端开槽，其中一根在中间部位竖直方向开口，宽度与自身宽度一致，后对其两端进行处理，至刚好可以衔住电机为止,见图（3）。

（4）

直径8mm铝管的加工：

铝管用于制作四轴飞行器外部框架的四个支撑力臂。

将废旧天线上结构完好的细铝管拆下，从中按照计划截取四根，并修理至长度一致，如下图。

（5）将截取的四根铝管一端开口，见图（4）。

（6）

取两根方管，将中心处未开口的一根小心的砸入开口的一根内，使其中心位置对应，并在其连接处用钻头打孔，方便铆钉穿入,见图（5）。

图（5）

（7）将处理好的四根两端45°角开口的铝管与两根长方管组合成的机身主体进行衔接，并在衔接完全后与衔接处打孔，至铆钉可以穿入时取下，并将孔洞打磨光滑，附图（6）。

图（6）

（7）将处理好的各构件打孔，以减轻总体质量。

（8）取塑料瓶一个，将其按照计划进行处理，并将飞控电路置入。

（9）

将四根8mm铝管，两根长方管，四根两端45°角开口方管及加工好的部分塑料瓶进行结构组合，组合完成后在预留孔洞内插入铆钉，并使其固定，至此，飞行器机架部分的制作基本完成,具体参考图（7）。

（10）为已经完成的飞行器机架安装电机，并焊接好线路。

（11）

图（7）

取备好的50mm苯板，按照计划裁切，制作飞行器外部框架。

（12）

将飞行器机架与外部框架进行组合，至此，飞行器整体的制作基本完成,见图（8）。

（13）对准备好的水彩笔盒进行加工并置入遥控电路，简单完成对飞行器遥控器的制作。

图（8）

至此，飞行器的总体制作已经基本完成，经过平衡调试后进行试飞，能够顺利实现设计目标，本次设计制作完成，成品如下图所示：

飞行器制作注意事项

本次设计整体上来说是成功的，实现了本次设计的最初设想，完成了对飞行器的自由操控以。

然而，不可避免的，也有诸多不足之处需要改进，比如在选材方面，铝质机身虽具有轻便的特点，然而强度仍有不足，需要改进。

在内部核心装置的选择上，由于没有注意个原件电压是否匹配，曾出现过原件烧坏的情况；由于时间及技术限制，在对于核心电路的制作上均采用了模块化的方式，重点突出了电子制作工艺，有取巧之嫌。

经过这一次实践，让我个人对于制作无人飞行器有了一个很全面的认识和了解，基本掌握了无人飞行器制作的关键步骤及所需要着重注意的一些容易忽略的关键性问题，让自己学会了很多以前未涉足过的知识。

下面谈一下手工制作飞行器需要着重注意的几点：

1.平衡问题，在制作过程中不可避免要考虑到飞行器的平衡问题，截取材料的长度以及密度，都会对飞行器整体的平衡产生巨大影响。

2.重心问题，平衡问题的解决不能代表飞行器可以正常飞行，重心的位置选择也是飞行器能够平稳升空的关键。

3.电压及电流的分配问题。

4.续航问题，电池是决定飞行器滞空时间的关键所在，同时，飞行器本身的重量也是考验电池续航能力的一个关键因素，在制作过程中，为了减轻飞行器重量，在机身上通过打孔的方式使机身镂空，成功将飞行器质量降低到120g，飞行器真正实现了质量小，灵活性高的预期目标。

人类的飞行器发展史经历了数个关键性的历史阶段，迄今为止，无人飞行器已经普及。

本次设计着重实现飞行器基本功能，利用手边的资源，自己动手完成整个飞行器的制作，这对于我个人来说既是一次巨大的挑战，也是一次宝贵的学习机会，通过本次制作，发现了自己在专业知识方面还有很多的不足之处，学习的道路是漫长的，在有限的生命里，能有机会的去学习自己所想要学习的知识，无疑是一件幸福的事，很高兴能得到这一次飞行器设计的机会。