基本信息
- 项目名称：
- 四旋翼飞行器设计
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 相对固定翼无人机而言，可垂直起降的旋翼无人机发展比较缓慢。这是因为VTOL 飞行器的控制远比固定翼复杂，早期的技术水 比拟的优点：能够适应各种环境；具备自主起飞和着陆能力，高度智能化；能以各种姿态飞行，如悬停、前飞、侧飞和倒飞等。这些优点决定了VTOL无人机比固定翼无人机具有更广阔的应用前景。
- 详细介绍：
- 四旋翼微型飞行器是一种六自由度的垂直起降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行,但是，四旋翼直升机只有四个输入力， 同时却有六个输出，所以它又是一种欠驱动系统。图（1-1）为四旋翼微型飞行器的结构俯视图。与传统直升机相比，该飞行器有下列优势：侧面电机1、3顺时针旋转的同时，前后电机2、4逆时针旋转，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。 飞行器在三维空间中具有六个运动自由度，包括三个坐标轴方向的线运动和三个坐标轴方向的角运动。上下的平移运动是通过四个电机同时增速(减速)得到的，当四个电机的升力之和等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停。水平面内的前后运动是电机1、2增速(减速)的同时，电机3、4减速(增速)，此时保持旋翼1、3对机身的反扭矩等于旋翼2、4对机身的反扭矩，在电机1、2与电机3、4的升力之差作用下机身发生倾斜，得到水平面内的前后运动。俯仰运动是通过电机1、3转速保持不变，电机2增速(减速)的同时，电机4减速(增速)得到的。 偏航运动是电机1、3增速(减速)的同时，电机2、4减速(增速)，此时旋翼1、3对机身的反扭矩大于(小于)旋翼2、4对机身的反扭矩，机身便在多余扭矩的作用下得到偏航运动。组合以上的基本运动,可以实现四旋翼微型飞行器的各种复杂运动。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 撰写目的：初步实现飞行器的升空并作出后退、悬停等一系列动作以及计算机模拟。 基本思路： 第一阶段：查阅资料研究确定具有可行性的技术方案； 第二阶段：设计电子电路； 第三阶段：完成软硬件的基础调试及计算机模拟； 第四阶段：飞行器调试试飞。 创新点： 四旋翼飞行器本身采用四个螺旋桨提供升力，飞行器的飞行控制完全依靠四个旋翼不同的旋转速度来实现，这与普通直升飞机相比免去了主旋翼自身角度的变化，控制相对简单。飞行控制由单片机控制，操作更加简单，飞行更加平稳。技术关键与难点： 飞行控制问题是微小型四旋翼无人直升机研制的关键问题，其主要有三个方面的困难：首先，对其进行精确建模非常困难；其次，微小型四旋翼无人直升机是一个具有六个自由度，而只有四个控制输入的欠驱动系统，这使得飞行控制系统的设计变得非常困难；最后，通过一定的状态估计方法获得必要的状态反馈是实现自主飞行控制的一大工程难点。这三个问题解决成功与否，是实现微小型四旋翼无人直升机自主飞行控制的关键，具有非常重要的研究价值。
科学性、先进性
- 四旋翼飞行器本身采用四个螺旋桨提供升力，飞行器的飞行控制完全依靠四个旋翼不同的旋转速度来实现，这与普通直升飞机相比免去了主旋翼自身角度的变化，控制相对简单。飞行控制由单片机控制，操作更加简单，飞行更加平稳。
获奖情况及鉴定结果
- 第八届郑航“挑战杯”三等奖、并代表学校参加河南省第九届“挑战杯”
作品所处阶段
- 软件和硬件的调试阶段
技术转让方式
- 专利转让
作品可展示的形式
- 模型
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 微小型四旋翼无人直升机具备VTOL飞行器的所有优点：能够适应各种环境；具备自主起飞和着陆能力，高度智能化；能以各种姿态飞行，如悬停、前飞、侧飞和倒飞等，具有广阔的应用前景。军事上可应用于情报获取、地面战场侦察、监视、近距离空中支持、禁飞巡逻、电子战、通信中继等方面；在民用方面一样大有可为，如重大自然灾害之后的搜索与救援，巡逻监视和目标跟踪，缉毒和反走私，高压线、大桥、水坝和地震后路段的检查，航拍和成图等。 总之，微小型四旋翼无人直升机飞行控制技术的研究，从理论和工程的角度都具有重要意义。
同类课题研究水平概述
- 目前，世界上的四旋翼无人直升机基本上都属于微小型无人飞行器，一般可分为三类：遥控航模四旋翼飞行器、小型四旋翼飞行器以及微型四旋翼飞行器。 遥控航模四旋翼飞行器的典型代表是美国Draganflyer公司研制的DraganflyerⅢ。它是一款世界著名的遥控航模四旋翼飞行器，主要用于航拍。其机体长(翼尖到翼尖)76.2cm，高18cm，重481.1g，旋翼直径28cm，重6g，有效载荷113.2g，可持续飞行16-20min。采用了碳纤维和高性能塑料作为机体材料，机载电子设备可以控制四个电机的转速。另外，还使用了三个压电晶体陀螺仪进行姿态增稳控制。 世界上对小型四旋翼飞行器的研究主要集中在三个方面：基于惯导的自主飞行控制、基于视觉的自主飞行控制和自主飞行器系统方案，其典型代表分别是：瑞士洛桑联邦科技学院（EPFL)的OS4、宾夕法尼亚大学的HMX4和佐治亚理工大学的GTMARS。 GTMARS是佐治亚理工大学面向火星探测任务而设计的CAD无人机系统，其动力子系统和飞行控制子系统的设计方案均在第17届美国直升机协会(AHS)学生设计竞赛中获得第一名。它重20kg，旋翼半径0.92m，续航时间30min。折叠封装的GTMARS随四面体着陆器登陆火星后，能自动将机构展开，能自主起飞和降落，巡航速度可达72km/h。此外，它还能返回到着陆器补充能量。 虽然国际上已经针对微小型四旋翼无人直升机进行了相当广泛和深入的研究，在国内，多数四旋翼爱好者仿制德国开源的成品机，而真正涉及飞控算法和底层硬件的少之又少。
