旋翼飞行器说明书要点.docx
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旋翼飞行器说明书要点
四旋翼飞行器设计说明书
指导教师：
第一组：
CNC13-1 班
2013 年 12 月
四 旋 翼 飞 行 器
一、绪论 ...........................................................2
1.1 引言 ........................................................2
1.2 四旋翼飞行器的国内外研究现状 ................................2
二、设计要求与设计思想 .............................................3
2.1 设计要求 ....................................................3
2.2 设计思想 ....................................................3
三、方案结构设计 ...................................................4
3.1 多轴转化方面 ................................................4
3.2 动力学分析 .................................................6
3.3 能耗分析 ....................................................8
四、典型零件强度校核 ...............................................8
4.1 起落架校核计算：
............................................8
4.2 螺栓校核计算：
.............................................9
五、材料选取及加工工艺 .............................................9
5.1 材料选取 ...................................................10
5.2 加工工艺：
.................................................10
六、总结与展望 ....................................................11
七、参考文献 ......................................................12
1
四 旋 翼 飞 行 器
一、绪论
1.1 引言
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。
他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 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，因此国内外对此
进行了大量研究。
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。
四旋翼飞行器能够垂直起降，不需要滑跑可以起飞和着
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
侦查监视，为其他作战武器知识目标等，甚至可以作为投放武器的载体。
目前
国外四旋翼飞行器的研究蓬勃发展，美国、日本、德国等均具有此类研究项目
且技术较为成熟。
1.2 四旋翼飞行器的国内外研究现状
四旋翼飞行器的设计有两个阶段，在第一个阶段即 20 世纪初，法国科学家
和院士 Charles Richet 制造了一个小型无人直升机，虽然该机不是很成功，但
是启发了他的一个学生 Louis Breguet，1906 年下半年在 Richet 教授的指导下
做完了他们自行设计的直升机实验。
1907 年，Breguet 兄弟制作了他们第一个
载人四旋翼飞行器，首次试飞载人飞行高度 1.5 米。
虽然稳定性很差，但是当
时飞行器只是处于起步阶段，Breguet 兄弟在实现垂直飞行方面已取得了显著
的成就。
20 世纪 20 年代初，George de Bothezat 为美国陆军航空勤务部制作一个
2
四 旋 翼 飞 行 器
实验性四旋翼直升机，其巨大的六桨叶旋翼能够使飞行器飞行成功，但是该飞
行器非常复杂、难于控制、需要飞行员很大的工作量，仅仅在顺风的情况下才
能向前飞行，最终在 1924 年，美国军队取消了该四旋翼飞行器的研制。
这一阶段设计出了载人四旋翼飞机，这是第一批成功的可垂直起降的飞行
器。
然而，早起原型机表现欠佳，后来稳定性较差，实用性和操控性低，所以
载人四旋翼飞行器的发展几乎停滞。
第二阶段即从 21 世纪初开始到现在，四旋翼飞行器的动力能源采用电能，
逐渐被各国所接受，主要是无人机，广泛应用于军事、商业和工业领域。
无人
机主要包括两大类：
固定翼无人机和旋翼无人机。
旋翼无人机在许多方面要优
于固定翼飞行器，具有更高的自由度、低速飞行的能力、悬停、室内应用等。
四旋翼飞行器作为一种具有独特飞行性能的无人机，正越来越受到人们的重视，
迅速成为国际上新的研究热点。
由于市场上四旋翼飞行器的定位于专业高端航拍人群，且制造成本过高，
搭载拍摄装置单一，本设计主要对四旋翼飞行器的整体结构格局方面，成本管
控方面以及灵活转换拍摄装置方面进行探索，使本四旋翼飞行器具有低成本、
大众化、稳定可靠性强等特点。
2、设计要求与设计思想
2.1 设计要求
1.飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源；
2.具备自主起飞和着陆能力；
3.中心架可以 3、4、6、12 轴通用；
4.能够以各种角度进行飞行与拍摄；
5.飞控板、电池、电调和马达的配合合理；
6.整体设计要美观、轻便。
2.2 设计思想
四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体
3
四 旋 翼 飞 行 器
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，旋翼 1 和旋翼 3 顺时针旋转，旋翼 2 和旋翼 4 逆时针旋转，以保
证飞行平稳，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
控制板和外部设备[4]。
从以下几点出发：
1）飞行器中心架的设计，要保证强度要求及整体结构（碳纤维杆安装、调
控板安装、电池安装、起落架安装）的同时越轻越好。
2）飞行器启动设计。
电机最大工作电流和电池最大供电电流相匹配，飞机
起飞重量与电机拉力相匹配，且保证电机最大功率时的输出电流<电调最大电流
<电池最大电流。
3）飞行器的能量转换方式。
综合考虑到能量转换与飞行动力的相对关系，
并尽可能的加大能量的利用率。
4）飞行器的起落架设计。
起落架尽量简洁、轻便、缓冲保护作用且材料韧
性较好。
5）飞行器的外观设计。
在不影响飞行器的正常飞行下，尽量减小自身的
重量，并且要考虑到飞行器的整体外观。
6）成本分析。
在实现飞行器能够实现基本运行的情况下，充分考虑选材
成本和加工成本的取舍。
围绕这个中心，我们展开了一系列的分析与设想，经过反复讨论，最终确
定了我们的设计思路。
三、方案结构设计
由于四旋翼飞行器飞行时要克服空气阻力与自身重力的同时保证平稳飞行
和各个角度拍摄，主要考虑：
多轴转化方面、动力学分析、能耗分析三方面来
设计。
3.1 多轴转化方面
方案一、采用中心架中心距的变化调整轴数量的改变（如图 1）：
4
四 旋 翼 飞 行 器
优点：
1.能够以最小的中心架安装最多的轴；
2.能够调整轴的角度更轻易的变换轴的数量以及角度；
3.中心架质量更轻且节省成本。
缺点：
轴安放的位置占用了其它装置安放的位置，使整体空间变大，利用
凹槽紧固稳定性不够。
图 1 方案一（中心板设计）
方案二、采用多分支长短结合调整轴数量（如图 2）：
优点：
1.避免多轴占用其它装置的空间；
2.利用螺钉紧固更可靠。
图 2 方案二（中心板设计）
5
四 旋 翼 飞 行 器
综上分析，我们确定采用方案二，一方面，它很好地解决了飞行器多轴转
换的问题。
另一方面，避免了方案一中多轴占用其他装置空间的问题，以及紧
固强度不够的问题 。
3.2 动力学分析
飞行器运动过程中要保证机翼产生的升力大于飞行器的飞行重量，根据电
机旋转产生升力带动机身向上运动，有以下公式进行电机拉力计算[1]：
T扭 =9549*P / n
P=I2 R=85W
L = ⎰ρ（Ωr ） c1cdr
=
n=2200*10V =22000r/minF拉扭 T/ r=4.099N
式中：
T 扭为电机扭矩，Nm；P 为电机功率，W；n 为电机转速，r/min；F 拉
为电机拉力,N；r 为电机中心距，mm；I 为电机电流，A；R 为电机电阻，Ω。
由此得出一个电机产生的拉力为 4.099N，四个电机产生拉力为 16.396N；
由于四个机翼共同作用相互产生影响则真实产生拉力为和拉力的 0.7 倍，因此
共产生拉力为 11.4772N。
机翼升力的计算[4]：
通过将机翼分割成无数个小桨叶，每个小桨叶为一个叶素（如图 3），通
过计算每个叶素的升力推出机翼的升力，叶素距旋转中心的距离为 r，延展向
的尺寸为 dr，桨叶当地弦长为 c，该叶素所产生的升力增量为：
12
由此可计算出整个桨叶上的升力为
R 12
0 2
v1
Ω
=
abc ⎡
16π r ⎣
32πθ r ⎤
⎥
式中：
c1 为升力系数、α 为当地仰角、а 为升力线斜率。
6
四 旋 翼 飞 行 器
图 3 叶素的几何形状
由于机翼平面诱导速度 v1 的存在，使得叶素处的有效速度和气流速度之间
存在一个下洗角 ε，当地仰角为有效速度与旋翼之间的夹角，可由桨叶几何安
装角 θ 和下洗角 ε 来确定，如图（叶素的几何形状）所示：
=
αθ- ε
下洗角由相互垂直的气流速度 Ωr 和诱导速度 v1 所定义，即
ε=arctan
v1
r
Ω
其中 Ωr 与 v1 之比可通过下式来确定：
v1
Ω
=
abc ⎡
16π r ⎣
32πθ r ⎤
⎥
由空气动力学翼型理论知，机翼在失速之前，其升力系数 c1 与仰角 α 之间的
关系与雷诺数 Re 基本无关，即升力线斜率 a 与 Re 无关。
这样，在机翼失速之
前，可以用常规空气动力学理论确定的升力线斜率来求升力系数 C1，并根据公
式计算机翼上的升力。
（低马赫数常规叶型的升力线斜率近似等于每度 0.1）
飞行器的起飞重量=飞机的重量+飞机质量*加速度[11]
G总 =G飞飞+m *a
a=T推静空摩摩 G飞
⎛ f空 =1/ 2V 2CD Aρ⎫
⎝ 静 ⎭
式中:
G 总为飞机的起飞重量，N；G 飞为飞机的重量，N；m 飞为飞机的质量，
Kg；а 为飞行器的起飞加速度，m/s2 ；T 推为电机拉力，N；f 摩为飞行器起飞
时摩擦力，N；f 静为飞行器起飞时的静摩擦力，N；f 空为飞行器起飞时的空气
摩擦力，N；V 为空气的流速，m/s；Aρ 为空气的雷诺数，CD 为升力系数，K 为
静摩擦系数，G 为飞机的重量，N。
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四 旋 翼 飞 行 器
计算得出 G=6.958N、a=0.0547m/s2、f 空=8.99N、f 静=2.0874N 飞行器的飞
行重量为 6.997N 小于机翼升力 10N，有公式 G总 =G飞飞+m *a 可得出电机可带动
最大重量为 1164g 的飞行器起飞，由于电机功率以额定功率计算，根据经验只
能达到 0.7 的效率，因此能带动 814.8g 的飞行器。
3.3 能耗分析
为保证电池供给能量转化为机翼旋转的升力足以带动机体运动，电调与电机
的选择以满足整体结构的前提下，最小能耗为优。
查阅相关资料[11]，电池输出
电量通过电调、导线能量耗损为：
P线损 =I 2 R
P输输 UI
=
P输损 Pn
⎛ R为单个内阻 ⎫
n为占空比
ç m为数量 ⎪
⎝ P为电调耗损 ⎭
公式中：
P 线损为导线损失功率，W；I 为导线通过的电流，A；R 为导线电阻，
Ω；P 输为电池输出功率，W；U 输电池输出电压，V。
计算出导线损耗为 2.502W，电调损耗为 3W。
电机的损耗产生在热能与声能两方面具体损耗为：
由《电机拖动原理》电机内阻为 0.52 欧姆，则通过电机定子的电流为
10/0.52=19.23 安培，产生的热能为 192.3 焦耳。
四、典型零件强度校核
4.1 起落架校核计算：
飞行器降落时起落架要保证飞行器平稳着地，吸收撞击产生的能量保护飞
行器各部件，当起落架一端着地时对起落架的冲击力最大（起落架如图 4），现
以起落架一端着地时计算产生的冲击力，查阅相关资料[5]得知：
变形=P （Ebh3 ）
式中：
P 为冲击力，N；h 为起落架厚度，mm；L 为起落架宽度，mm；b 为起
落架长度，mm；E 为材料弹性模量，MPa。
8
四 旋 翼 飞 行 器
计算得知需要 127.29N 才能使起落架变形，由飞行器的起飞重量为
2
6.997N，由公式：
F = mv ／L
式中：
F 为冲击力，N；m 为飞行器质量，Kg；v 为飞行器飞行速度，
m/s；L 为飞行高度，m。
最大冲击力为 71.397N，由使起落架产生变形的冲击力 127.29N>71.397N,
因此起落架满足强度要求。
图 4 起落架
4.2 螺栓校核计算：
为保证电机的稳定旋转，螺栓的连接强度要满足抗剪强度与抗压强度。
电机旋转对螺栓产生的抗剪强度[10]：
τ=
⎛τ为扭矩 ⎫
R ç ⎪
2 ç R为力矩 ⎪
⎝ d为螺栓直径 ⎭
由公式得出抗剪强度 τ=4.35MPa 查表螺栓的 τp 为 284MPa 得出
τ=
⎛τ为扭矩 ⎫
R ç ⎪
2
⎝ d为螺栓直径 ⎭
连接件孔壁与螺栓光杆的抗压强度：
9
塑料种类
成型性能
物理性能
ABS
成型性能中等、收缩率小、
冷却速度快、流动性能好
冲击强度高、机械加工性能
中等、化学稳定性
PP
能行性能较好、耐热性差、
易变性、相比最轻
耐老化、耐冲击、电绝缘性
能好、易燃韧性差
PLA
成型性能中等、较轻不易变
形、冷却速度快、收缩率小
冲击强度高、稳定性好、机
械加工较好、韧性好、易降
解
四 旋 翼 飞 行 器
σ p =
R ⎛δ为接触厚度 ⎫
ç ⎪
由公式得出抗压强度 σ p 为 6.148MPa查表螺栓的
P
σ P 为 284MPa 得出
ç ⎪ ≤σPP 满足强度要求。
σ p =
R ⎛δ为接触厚度⎫
dδ⎝ d为螺栓直径 ⎭
五、材料选取及加工工艺
5.1 材料选取
本次方案中大部分零件采用 3D 打印机加工，为保证加工零件尺寸稳定、表面
光泽好、易于进一步加工，因此打印材料的选择主要考虑成型性能与物理性能，
下面为三种材料性能的对比[7]：
根据三种材料的对比，PLA 塑料在成型方面与后期机械加工和稳定性方面
都比较好，而且 PLA 塑料易于降解不会造成污染，因此本次设计的零件的材料
以 PLA 塑料为主。
5.2 加工工艺：
飞行器加工件主要以中心架与起落架和航拍装置为主，材料主要以 PLA 塑
料为主采用 3D 打印机加工，PLA 塑料抗冲击性、耐热性、耐低温型、耐化学药
品性及电气性能好，还具有易加工、制品尺寸稳定、表面光泽好等特点，但是
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四 旋 翼 飞 行 器
由于 PLA 塑料的拉伸率较差，因此设计时要考虑厚度，加工肋板以保证强度耐
冲击。
加工过程中要考虑 3D 打印机的行程，不能超过其打印行程；加工过程中对
于零件的圆角与凸台要进行构造辅助支撑丝保证加工的质量防止变形；加工过
程中要根据零件强度的要求确定堆叠的层数，以保证加工零件外形尺寸与强度
要求满足设计要求。
六、总结与展望
本文以四旋翼飞行器为研究对象，主要研究了飞行器的主体结构、飞行
动力转换与各部件的强度要求，以满足飞行器在航拍过程中的各种要求，达到
良好的航拍效果。
本文的研究工作主要设计并搭建了四旋翼飞行器的硬件系统，建立了飞行
器的相关数字模型。
针对自行设计的四旋翼飞行器进行了动力学分析、能耗分
析、尝试多轴多机翼模型的搭建，能够实现飞行器的稳定航拍效果。
本文是在四旋翼飞行器控制技术领域的一个基础性探索研究，由于本人是首
次接触四旋翼飞行器，在前期的积累为零，虽在导师的指导下克服了非常多的
困难，取得了一定的进展。
但就其深度而言，还尚显肤浅，尤其在自主飞行控
制方面还处于探索阶段，因此本文在很多方面还有待于进一步的探索和完善主
要包括以下几个方面：
1）无 GPS 导航、视觉和通信等系统；
2）利用 GPS 进行导航并按预先设定路线飞行的能力、信息传输能力和任意
姿态飞行的能力将进一步健全和完善，自主飞行是该技术发展的一个重要方向，
将在预定航线飞行等方面发挥重要作用。
使其具有自主起降和全天候抗干扰稳
定飞行能力。
11
四 旋 翼 飞 行 器
七、参考文献
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高等教育出版社，2007.
[2] 何铭新，钱可强.机械制图.第五版[M].北京：
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高等教育出版社,2000.
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哈尔滨工业大学出版社，
2009.
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高等教育出版社，
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哈尔滨工程大学 出
版社，2001.
[8] 孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理[M].北京：
高等教育出版社，2005.
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高等教育出版社，2005.
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化学工业出版社，2008.
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苏州大学出版社，2009.
12
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