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基本信息

项目名称:
四轴飞行器
小类:
机械与控制
简介:
四轴飞行器具有类似直升机的飞行性能,可在空中悬停.同时具有机械结构简单,成本低廉,维护简便,飞行噪音小等特点. 它可根据实际情况,实时调整自身姿态,保持机体平衡,并可接受用户指令,实现要求的动作. 同时,飞行器搭载空投系统和视频传输系统,可实现无人侦察和物资定点投放等功能.
详细介绍:
四轴飞行器有用四个螺旋桨,每个螺旋桨的桨距都是固定不变的.也就是说在任何时刻,螺旋桨都保持固定的形状,因此省去了复杂的旋翼头结构.需调整四个臂中某一臂的升力时,只需相应改变其驱动电机的转速即可. 但仅靠上述简单的结构是无法在复杂的空中环境中随时保持飞行器平衡的,因此我们还需要采用3轴陀螺仪和3轴加速度传感器组成捷联惯性导航系统(简称IMU),通过我们设计中的主控IC,飞行器可实时计算出姿态变化并自动作出调整.结合遥控系统给出的用户指令,飞控系统可完成飞行器的控制任务. 四轴飞行器作为一个飞行平台,其功能扩展是非常可观的,在本设计中,我们加入了视频传输系统和空投系统.通过视频传输系统,用户可佩戴专用的视频眼镜,在控制飞机的同时观察机载摄像头传回的视频,做到虚拟第一人称驾驶的效果.空投系统可在飞行器起飞时挂载物资,在飞行器到达指定位置后投放至地面. 可见,通过各种各样的扩展系统,四轴飞行器的应用领域可遍布民用军用,无论是休闲娱乐,抢险救灾或是战略侦查,航拍制图,四轴飞行器都可以大显身手.

作品图片

  • 四轴飞行器

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

当前世界上主流的飞行器,基本分为两大类:固定翼飞行器和旋翼飞行器,大家熟知的直升机即属于旋翼飞行器的一种,其最大特色是能完成空中悬停动作. 但直升机为保持平衡和完成操控着要求的动作,需要非常复杂的旋翼机械结构,同时要通过在尾部加装额外的旋翼防止主桨的反作用力造成自旋.这极大地增加了其设计制造难度和维护成本. 因此在电子技术高度发达的今天,有必要设计一种新型飞行装置,依靠机载电子设备取代部分机械结构,在以不损失飞行器性能为前提下降低生产和维护成本.因此我们选择了四轴飞行器,并自主开发了专用的飞行控制系统. 在实验室阶段,采用模型用12V,2200mAh电池情况下,样机可正常飞行15至20分钟左右,悬停功率约为240W(无负载),最大负载能力约为1.2Kg.以上数据是在调试阶段,机架采用耐摔的金属材料的情况下获得的,相信在轻量化后,各个参数都会有明显进步.

科学性、先进性

四轴飞行器在实现直升机飞行性能的同时,极大地降低了机械机构的复杂程度,因此四轴飞行器的生产成本和维护复杂度相较传统直升机都有显著降低. 因其维持机身平衡的任务全部由机载电子设备完成,所以在制作过程中,对飞行器的中心,对称性,螺旋桨及电机性能一致性都没有很高要求.这对降低设计难度和量产品质控制也有着巨大意义. 同时,四轴飞行器种种较低的要求,对于安装各种扩展系统设备也有着不言而喻的好处,我们不需要过多考虑扩展设备是否破坏了飞行器重心,只需按照其实现功能的最佳位置安放即可.

获奖情况及鉴定结果

桂林电子科技大学信息科技学院第二届Altera杯EDA电子设计竞赛一等奖

作品所处阶段

实验室阶段

技术转让方式

暂无

作品可展示的形式

实物,图纸,现场演示,图片,录像

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

飞行器各部分都不需要用到昂贵或易损部件,结构设计也不是非常复杂.这使得四轴飞行器非常可靠的同时非常廉价.因此,无论是模型级还是工业级,甚至军工级的产品,都有一定的市场前景.系统采用了FPGA芯片作为主控,若进行量产还可将FPGA芯片替换为更为廉价的专用ASIC,移植过程非常简便而且基本没有前期成本. 在明确用途,找准新型飞行器定位的前提下,四轴飞行器拥有很好的市场前景和经济效益.如在军事领域应用,其军事效益也不可忽视.

同类课题研究水平概述

世界各国科研机构和相关组织,对新型飞行器的研究从未中断,期间杰出成果不断涌现. 在四轴飞行器方面,美国斯坦福大学等高校走在前列,他们已经可以做到多个飞行器合作搬动重物,并联动调整升力,保持整体的平衡.甚至可以让飞行器侧身穿过仅略大于机身厚度的竖直缝隙. 此外德国的MK开源四轴飞行器项目在众多爱好者的努力下也日趋完善,当前已经可以实现GPS追踪,地面站自动控制等等功能.
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