四旋翼
關注創建者：laplacianFoam 創建時間：2019-08-28
四旋翼的視頻教程
SimSolid使用體驗分享-四旋翼無人機的結構仿真分析
SimSolid試用體驗分享-四旋翼無人機的結構仿真分析 適用人群：結構設計工程師、CAE工程師 SimSolid試用體驗分享-四旋翼無人機的結構仿真分析（免費）【已結束】 直播時間：2020-08-27 19:30 Altair SimSolid是專為設計工程師開發的結構分析軟件且極具創新性。
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基于Workbench-Fluent的四旋翼無人機流場分析，免費無聲音，操作細致，附件練習（需購買）
本視頻為基于Workbench-Fluent的四旋翼無人機流場分析，免費無聲音，操作細致，附件練習（需購買），主要涉及到外流場的設置，網格劃分，簡單的動網格設置，CFD-POST后處理，歡迎購買討論學習。
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四旋翼的實例教程
如圖1.1所示，旋翼1、3順時針旋轉，旋翼2、4逆時針旋轉，旋翼的扭矩會自動平衡。而傳統直升機必須加一個尾翼用來平衡旋翼扭矩，這個尾翼對向上的推力無幫助作用，浪費了能量。另外，由于四旋翼機的旋翼更小，轉速更高，因而其效率更高；小旋翼也可以減少旋翼碰撞周圍建筑物的概率，飛行更加安全。
圖1.1 四旋翼直升機飛行原理示意圖
1.2 四旋翼直升機工作原理
四旋翼直升機有4個控制輸入量，分別為四個旋翼的轉速；6個輸出量，
分別為飛機位置量（x、y、z）和姿態角(俯仰角?、橫滾角?、航向角?)。四旋翼直升機通過調節對角線上旋翼的轉速來改變姿態：圖1.1中，1、3旋翼的推力不同會改變四旋翼直升機的俯仰角，同時在機體X方向產生一個加速度。由于對稱性，在機體Y方向也會產生相似的作用。四旋翼直升機改變對角旋翼的轉速大小，同時往相反方向改變另外一對旋翼的轉速的大小，兩對旋翼間扭矩便不再平衡，從而航向角改變。
二、總體設計
2.1 設計目標
目前，國內外有很多四旋翼無人直升機模型的生產廠家，從購買渠道和方便維護考慮，選用的機體平臺是國產的華科爾UFO4型遙控四旋翼直升機（圖2.1）。直升機的主要參數見表
2.1
圖2.1 華科爾UFO4四旋翼無人直升機
表2.1 華科爾UFO4四旋翼無人直升機主要參數
機體參數
旋翼半徑
機體長/寬
驅動系統（電
機）
接收器 參數大小 198mm 470mm 1225 FE 4-in-1 機體參數 遙控器 陀螺儀 重量（含電池） 電池 參數大小 WK-0701 3D 225g 11.1V-Li
本文的主要內容是設計小型四旋翼飛行器的控制系統，實現小型四旋翼無人直升機在近地環境下的姿態控制。
展開 動態建模：
Fligtmare為三個四旋翼動力學提供了一個靈活的接口：一個基于Gazebo的四旋翼動力學，真實的動力學，和一個經典的四旋翼動力學的并行實現。四旋翼被建模為一個由四個電機驅動的剛體。我們使用四旋翼動力學，已用于設計控制算法的真實四旋翼實驗：
其中PWB是位置，VWB是四旋翼在W中的線速度,D = diag(dx, dy, dz)是一個常數對角線矩陣，它定義了轉子-阻力系數，這是一個在四旋翼的速度上的線性效應。使用一個單位四元數qWB來表示四旋翼的方向和使用ωWB表示身體框架B中的身體速率，g = [0, 0, ?gz]T，gz = 9.81 m s?2是重力矢量，和Λ(ωB)是一個斜對稱矩陣。此外，c = [0, 0, c] 是質量歸一化的推力向量。單轉子推力的轉換[f1, f2, f3, f4]到質量歸一化推力c和身體力矩表示為 η。
其中m是四旋翼的質量，l是臂長。我們將單個轉子推力的動力學建模為一階系統f˙ = (fdes ? f)/α，其中α為時滯常數。實現了歐拉和四階龍格-庫塔方法來積分動力學方程。
模擬速度：
使用一臺12核英特爾(R)核心(TM)i7-8850HCPU高達2.60GHz的筆記本電腦的模擬速度，評價結果如下圖所示。
點云計算和路徑規劃：
現有的模擬器并不能提供一個有效的API來訪問環境的3D信息，然而，大量的算法都需要這些信息。
展開 基于3D打印結構拓撲優化的四旋翼無人機
摘要
四旋翼無人機因具備垂直起降，自由懸停，體積小，用途多樣且成本低等優點已經獲得了廣泛的應用。目前制約四旋翼無人機進一步發展的重要因素之一就是其續航時間較短，載重小。現階段工業制造中普遍通過提升動力的方法來延長續航時間，而對于機架結構優化設計方面的研究較少。本文將結構拓撲優化設計和3D打印技術結合在一起，對四旋翼的機架部分進行拓撲優化，實現了四旋翼結構的優化減重設計，并采用數值分析的方法，對優化結構進行了強度、穩定性分析和固有模態分析。并通過增材技術完成優化后機架的制作，對實物進行了測試試驗驗證了其可行性。該研究為四旋翼的輕量化設計及延長續航時間提供了一種新的思路。
關鍵詞：四旋翼無人機，拓撲優化，增材技術
目錄
摘要 1
一、緒論
（一）選題背景及研究意義
（二）國內外發展現狀
（三）本文研究內容及目的
二、無人機總體設計及初始模型建立
（一）機架材質及構型選擇
1、機架材質選擇
2、初始構型確定
（二）動力及飛控系統選擇
1、動力系統
2、飛控系統
（三）仿真分析
1、四旋翼結構優化工況分析
2、模型仿真分析
三、結構拓撲優化及仿真分析
（一）結構拓撲優化及優化模型確定
1、模型1拓撲優化分析
2、模型2拓撲優化分析
（二）優化結構重構
（三）拓撲優化結構靜力學及動力學分析
四、應用前景分析
結論
參考文獻
一、緒論
（一）選題背景及研究意義
近年來，隨著無人機技術的發展，特別是多旋翼無人機，在面向中小型飛行應用領域，多旋翼無人機相比固定翼和直升機具有很多優勢，如尺寸小、結構簡單、可靠性高、成本低、對復雜環境適應性較強等。
展開 近年來，四旋翼飛行器可謂是航空領域的寵兒。無論是“小巧會飛的照相機”，還是飛行器大賽的種子選手，亦或是電力巡檢、快遞投送、救援搶險的小能手，甚至是披掛上陣，執行軍用任務的空中間諜，你都能看到四旋翼飛行器的身影。
從1970年，法國人發明的世界第一架有人駕駛的四旋翼飛行器升上天空，到近年來逐漸成為主流的微小型多旋翼無人機飛行器，四旋飛行器的發展并不能說是一帆風順。但隨著新材料、微機電、飛機控制等技術的不斷發展，多旋翼飛行器在實現微小轉化后，已經擁有了廣闊的民用和商用前景。
目前，棲云通航公司已上市了CA-X4810四旋翼飛行器。CA-X4810是一款超長續航，融合多功能的四旋翼飛行器。機身使用超輕碳纖維材料與航空鋁合金，相較于傳統金屬材料，結構性增強的同時，質量可以減輕25%。超輕機身巨能飛！
CA-X4810四旋翼飛行器使用了自主研發的超高密度鋰電池，比常用的鋰聚合物電池提高了50%的續航性能，在-40℃的環境下，容量保留率仍能達到70%。高密度電池實現超長續航！
CA-X4810四旋翼飛行器還使用了自主研發的高效率超輕無刷電機，電能轉化效率高達81.9%，最大速度可達到70KM/h，最大爬上速度可達5m/s,懸停時長最高可達100分鐘。輕量化動力系統，實現超高的巡航里程！
展開 四旋翼無人飛行器仿真分析
旋翼無人飛行器具有垂直起降／著陸、可懸停、機動性好及結構簡單等多種優點，無論是在軍事領域還是民用領域，都有非常廣泛的應用價值。
作為垂直／短距起降飛行器，多旋翼無人飛行器不受起降場地的限制，具有很強的適應性，一直是各國軍方關注的焦點。多旋翼無人飛行器與常規的飛行器相比，具有垂直起降、著陸、懸停、縱飛和側飛等飛行特性。隨著近年來微電子、微機械、計算機技術及電池等技術的飛速發展，小型四旋翼無人機的體積、重量、靈活性和機動性等多個方面有了長足的進步。根據動力配置形式的不同，旋翼無人飛行器一般有四旋翼、六旋翼和八旋翼等。根據飛行器的飛行方式，一般分為自由型及系留型。目前的產品主要集中在自由型多旋翼，其載重量較小，主要面向航模愛好者，應用領域為航拍，單塊電池僅能支持飛行器滯空１５ｍｉｎ左右。而系留型多旋翼飛行器具有覆蓋面積大、留空時間長、機動性能強及效能費用比高等顯著的特點，無論是在軍事領域還是民用領域，都有非常廣泛的應用價值。四旋翼無人飛行器在結構上更為簡潔：四只旋翼相互抵消扭矩，不需要專門的反扭矩槳；具有更簡潔的控制方式，僅通過改變四只旋翼的轉速即可實現各種姿態控制。因此，系留型四旋翼無人飛行器備受國內外很多專家和學者的關注和研究。
本文以系留型四旋翼無人飛行器為研究對象，采用通用大型有限元分析軟件Ａｂａｑｕｓ建立了對應的力學仿真模型。應用該仿真模型對該旋翼無人飛行器在旋翼升力、風載荷及降落沖擊等工況下的結構強度和剛度響應進行了仿真分析，得到了對應的安全裕度數據，為該無人機的結構設計提供了理論依據。
系留型四旋翼飛行器系統是一種有４個螺旋槳且螺旋槳呈十字交叉形式的飛行器，如圖１所示。整個飛行平臺結構包含中心架（設備艙）、支撐臂、起落架及其他系統的受力結構等。
展開 
四旋翼的最新內容
無人機四旋翼側網格生成效果圖
2. LBM求解器對旋翼機體的數值仿真
目標：
實現不同工況下旋翼的高保真數值模擬，以提升無人機整體的飛行效率、機動性、穩定性和安全性。
</p><p><br></p><p><strong>四旋翼無人機的運動控制</strong></p><p><br></p><p>關于飛行器軌跡和姿態的控制，這里展示了一個簡單的例子，用四旋翼無人機的運動控制來解釋仿真中控制系統實現的過程，這個例子就是給定無人機目標飛行曲線，使用Altair MotionSolve多體動力學模塊和Altair Activate系統控制模塊進行機電一體化仿真來實現這個過程
四軸飛行器是一種利用四個旋翼實現升力和推進的飛行器，可實現穩定的飛行和靈活的機動性。這種設計不僅可以確保平衡的飛行體驗，而且易于控制，對業余愛好者和專業人士都具有吸引力。
以實際案例為例，以上是eDrive對一個由電池供電的四旋翼電動飛行器進行測試分析
6）數據存儲與后處理功能
原始數據存儲功能，所有計算和原始波形數據均可存儲至硬盤中，并支持作為示波器波形進行可視化查看。此外，系統還提供后處理公式，可以在測試結束后進一步細化分析，提高數據分析效率，從而減少后期處理時間。
基于matlab Simulink的無人機模型模擬飛機飛行過程，具有GUI界面，可自行設置四旋翼飛行器結構參數，設有模擬仿真飛機動畫。程序運行步驟：1，將Copy_4_of_quadrotorsflyerGU.mdlI文件拖入matlab命令窗口；2，將GUI_Config.m文件運行即可，3、參數設置可使用默認參數，也可自行設置，點擊開始即可。
小型四旋翼無人機由4個圓柱管碳纖維、4個電機碳纖維固定板、4個碳纖維薄板、4個結構鋼材料的電機以及若干個ABS材料的固定塊和起落架組成，如圖1所示。
為了提高網格劃分的效率，我們簡化了模型，刪除了不重要的電子零部件，省略了不重要的孔和圓角，讓網格更加均勻和順滑。對于小型四旋翼無人機，把起落架不重要的結構件，設置5 mm的網格大小，其他默認設置為3 mm。
整機質量37.9 g，翼展28 cm，撲翼頻率為15 Hz，連續飛行超過9 min，飛行速度可達3.5 m/s，八翅撲翼飛行器在向前飛行時比四旋翼樣機更有效率，增加了航程和續航能力。此外，機翼表面會產生阻力可以提高減速性能。這意味著與四旋翼飛行器相比，八翅撲翼飛行器能夠更快地實現減速，具備很強的實用價值。
目前，棲云通航公司已上市了CA-X4810四旋翼飛行器。CA-X4810是一款超長續航，融合多功能的四旋翼飛行器。機身使用超輕碳纖維材料與航空鋁合金，相較于傳統金屬材料，結構性增強的同時，質量可以減輕25%。
四旋翼無人飛行器在結構上更為簡潔：四只旋翼相互抵消扭矩，不需要專門的反扭矩槳；具有更簡潔的控制方式，僅通過改變四只旋翼的轉速即可實現各種姿態控制。因此，系留型四旋翼無人飛行器備受國內外很多專家和學者的關注和研究。
本文以系留型四旋翼無人飛行器為研究對象，采用通用大型有限元分析軟件ABAQUS建立了對應的力學仿真模型。
在這個示例中，假設我們已經確定是要在室內追蹤一個泡沫球，當前設計的追蹤裝置是一個小型的、無人的飛行器，在這種約束下，我們發現貨架（COTS）的可選飛行器類型是四旋翼飛行器。
進一步，經過調研，我們發現三種類型的飛行器可能滿足我們的初步需求。我們通過圖形化的方式，在模型中定義這三種飛行器，并通過構造型對這三種類型的飛行器進行特征描述，包括載荷容量、成本以及可編程的能力。
