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多旋翼飞行器设计与控制（三）—— 机架设计

2023-05-16

多旋翼飞行器设计与控制（三）—— 机架设计

一、布局设计

1、机身基本布局

共有三种：环型、***+字型***、X字型

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常用X字型：

  • 机动性更强
  • 前视相机的视场角不容易被遮挡

环形的特点：

  • 刚性更大
  • 避免飞行中的振动，增强结构强度
  • 增加机架重量与转动惯量，灵活性降低

2、旋翼安装

从布局上，分为常规布局和共轴双桨，共轴双桨的优点是不增加多旋翼整体尺寸、减少了螺旋桨对照相机视场的遮挡。 需要注意的是这会降低单个螺旋桨的效率，共轴双桨只相当于1.6个螺旋桨。

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从桨盘角度上分为水平安装与倾斜安装，水平安装需要云台使相机保持水平，而倾斜安装不需要云台。

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从朝向来看，桨盘可以位于机臂位置的上方或者下方。

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3、旋翼和机体半径

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R = r m a x s i n ( θ / 2 ) = r m a x s i n ( 18 0 。 / n r ) R = \frac{r_{max}}{sin(\theta/2)} = \frac{r_{max}}{sin(180^。/n_r)} R=sin(θ/2)rmax​​=sin(180。/nr​)rmax​​

R 为 机 架 半 径 ， 旋 翼 最 大 半 径 为 r m a x ， θ 为 轴 间 夹 角 , n r 为 机 臂 数 R为机架半径，旋翼最大半径为r_{max}， \theta 为 轴间夹角, n_r为机臂数 R为机架半径，旋翼最大半径为rmax​，θ为轴间夹角,nr​为机臂数

一 般 螺 旋 桨 半 径 满 足 r m a x = 1.05 r p 到 1.2 r p 一般螺旋桨半径满足r_{max} = 1.05r_p 到1.2r_p 一般螺旋桨半径满足rmax​=1.05rp​到1.2rp​

4、重心设计

前飞情形时，如果多旋翼重心在桨盘平面下方，那么阻力形成的力矩会促使多旋翼俯仰角转向0度方向，若多旋翼重心在桨盘平面上，那么阻力形成的力矩会促使多旋翼俯仰角朝发散方向发展，直至翻转。因此，当多旋翼前飞时，重心在桨盘平面下方会使前飞运动稳定。

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在风干扰情形下，如果多旋翼重心在下，那么阻力形成的力矩会促使多旋翼俯仰角朝发散的方向发展，直至翻转。若多旋翼重心在上，那么阻力形成的力矩会促使多旋翼俯仰趋向于0。因此，当多旋翼受到外界风干扰时，重心在桨盘平面的上方可以抑制扰动。

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综上，需要通过反馈控制将多旋翼平衡。实际中将中心靠近多旋翼中心稍稍靠下。

5、自驾仪安装

理想位置应在多旋翼的中心。若自驾仪离飞行器中心较远，由于存在离心加速度和切向加速度, 将会引起加速度计的测量误差,即“杆臂效应”。

6、气动布局

  • 减少最大迎风面积
  • 流线型机身
  • 部件连接处尽量圆滑过渡
  • 通过CFD仿真计算阻力系数

二、结构设计

主要围绕减震和减噪进行设计

飞控板上的加速度传感器对振动十分敏感，而加速度信号直接关系到姿态角和位置的估计，因此十分重要。具体地：

  • 加速度信号直接关系到姿态角和姿态角速率的估计。
  • 飞控程序融合了加速度计和气压计、GPS数据来估计飞行器的位置。而在
  • 飞行器定高、悬停、返航、导航、定点和自主飞行模式下，位置估计很关键

关于噪声，多旋翼机身处在螺旋桨直接辐射的声场中，各类传感器可能受到噪声影响而失真。可以搭载机载的声传感器探测到某个螺旋桨所产生的噪声，通过闭环反馈，系统可以利用另一个螺旋桨进行相应的抗噪，从而抵消所产生的噪声。

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