基于机械陀螺仪旋翼飞行器改装设计

郭子豪 张玥 孟庆然 李广杰

【摘 要】通过机械结构的设计将传统的四旋翼转向装置进行改进，将传统四旋翼依靠旋翼差速转向的机制改成依靠内部机械结构改变方向。同时旋翼只提供支撑飞行器自身的升力，对控制系统的要求降低，简化了控制程序，同时通过机械结构的改变，使得内部环境更加的稳定，提升了旋翼机抗逆性。

【关键词】四旋翼；机械陀螺仪；程序简化；提升稳定性

随着微电子技术的发展，越来越多的人开始对旋翼机进行研究和使用，但旋翼飞行器的动力学模型，是一个欠驱动、多变量、强耦合、非线性和不确定等特征。目前国际上对旋翼机的程序控制已经形成完整的理论体系，但是现有的无人机控制程序相对复杂，不利于个人的研究使用。

本文针对四旋翼现存的问题，提出一种新型的四旋翼结构及转向控制。

一、设计思路

现阶段的四旋翼是依靠旋翼的差速来实现机身的旋转，导致操控是比较困难的，因此需要生产商对旋翼机的转向进行优化，本文提出的设计中，将转向装置与动力系统分离，在此基础上实行模块化控制。

同时，将传统的机械陀螺仪加入机身的结构设计。旋翼作为动力装置与转向装置分离达到简化程序的目的。

二、结构设计

（一）机械部分设计简述

通过对各自由度的陀螺仪的研究，利用陀螺仪的定轴性进行四旋翼的机械部分设计。

利用机械陀螺仪对内部转子空间位置具有稳定作用这一性质，将控制系统和能源部分的结构进行设计优化。将二者集成在一起制作形成四旋翼内层的转子，与外部的四个螺旋桨形成不同的机体结构层。

（二）机身与机械陀螺仪的转化

通过对机械陀螺仪的结构分析，可以发现，若想要陀螺仪中间转子保持自己的运动，至少需要三个自由度的运动补偿。当旋翼机在空中悬停并保持稳定的时候，可以将四个旋翼及固定的机架看成机械陀螺仪的外部环。

同时对机身部分的结构进行改变，将重要电子部件和电源等结构集成到机身内部，同时对机身结构进行改变，在机身内部加入分离层，与固定机架形成完整的陀螺仪结构。（图3）三、动力设计

针对动力的提供，采用“Y8”的电机布置。即采用四反方向旋转的共轴电机。

通过牺牲20%-30%的效率，保证每一组电机的稳定性，同时也不需要相邻两组旋翼相互抵消因旋翼高速转动产生的机身反向旋转。

四、飞行控制设设计

通过对四旋翼结构的改变，四旋翼的每个方向都可以作为前进方向，换而言之，改变结构后的四旋翼四个主方向完全一致。

因此，在四旋翼的飞行操控上可以大大减少程序的控制，通过机械和程序相结合的控制方式，能够更加简单的进行方向的控制。

如图5所示，只需要同时改变四对旋翼的方向，并保证方向的改变相同，便可将四旋翼在悬停状态下只产生竖直方向升力的平衡状态改变，进而向某一方向前进。（旋翼在不同角度的转速依据四旋翼质量确定）

【参考文献】

[1]杜永兴，孔震震，李宝山，秦岭.油动四旋翼無人机的姿态控制研究[J/OL].电光与控制：1-6[2019-01-03].

[2]杨则允，李猛，张全.四旋翼无人机控制系统设计与实现[J].科技创新与应用，2018（34）：105-106+109.

[3]周鸿超，祁宇明，林伟民，王鹏，侯择尧，权利红，薛强.四旋翼无人机机身静力学分析[J].机械研究与应用，2018，31（05）：66-68+71.