四旋翼的案例
四旋翼無人直升機論文
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 一種新的四旋翼模擬器：Flightmare
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
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 飛行器中的“精靈”——CA-X4810四旋翼飛行器
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
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 ABAQUS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。
圖１ 系留型四旋翼無人飛行器結構示意圖
在Ａｂａｑｕｓ軟件中建立的有限元模型如圖２所示。
展開 CFD專欄丨四旋翼無人機空氣動力學仿真
“
四旋翼無人機的飛行原理
直升機有尾旋翼的設計是為了抵消主旋翼旋轉時產生的旋轉力矩，如果沒有尾旋翼直升機的機體會向著主旋翼旋轉方向相反的方向自旋。而四旋翼無人機采用十字型對稱分布，四個旋翼互相抵消回旋影響，當平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。如果想轉向的話，只要打破這個平衡就可以了。
按照圖中的旋轉方向，增加 1、4 的轉速減少 2、3 的轉速可以產生逆時針轉動；反之，減少 1、4 的轉速 增加 2、3 的轉速可以在順時針轉動。如果想讓無人機左平移，那么它就得降低左側3、4兩個槳葉的轉速，提高右側1、2兩個槳葉的轉速，這樣無人機就會向左傾斜，根據力的分解，升力在水平方向的分力就會使無人機向左平移。
同理，當右側低于左側時，向右平移。當前面轉速低于后面時，向前平移，當后面轉速低于前面時，向后平移。
展開 四旋翼無人機單翼受壓分析
案例題目：四旋翼無人機單翼受壓分析
案例簡介：
本案例中選取了一種四旋翼的無人機模型作為研究對象，省略了其中的電路，馬達等零部件，模擬其主體結構在地面上單翼受壓時的受力及變形情況。
計算結果如下圖所示，具體細節參見附件。
變形過程
等效應力分布
使用評價：
meshfree無網格數值模擬軟件操作非常方便，導入CAD模型后即可自動識別各個部件并建立初步接觸；其中的材料庫非常豐富，同時自帶典型材料的參數，非常方便用戶測試計算；最關鍵的是不需要劃分網格，程序自動生成結構化網格進行計算，獨特的算法極大的節省了用戶的時間。
meshfree案例.docx
靜音版操作視頻：
展開 四旋翼微型飛行器設計
四旋翼微型飛行器設計.pdf
一臺高度靈活的四旋翼無人機
蘇黎世大學一個研究小組開發了一種高度靈活的四旋翼無人機，能夠避開障礙物并進行軌跡跟蹤。
新設計包括添加機載視覺傳感器、飛行控制監控系統和一系列其他組件，旨在提高無人機實時接收和處理飛行信息的能力。
他們還添加了一個高級AI模塊NVIDIA Jetson TX2，該模塊能夠快速執行支持無人機硬件的復雜任務，以實現平穩靈活的飛行。
研究人員在廣泛的飛行范圍內測試了他們的無人機，從緩慢和穩定，到全速到避開障礙物。他們發現他們的無人機能夠在 50 至 70 公里/小時的速度范圍內保持敏捷性。他們還發現它可以進行運動捕捉軌跡跟蹤，即無人機不斷觀察其在空中的位置，并添加時間實例，以顯示其所在的位置和時間。他們還測試了其在虛擬現實模擬中的應用。他們還注意到，該系統能夠邊走邊學，正因為如此，其性能隨著時間的推移敏捷度會進一步提高。
結果顯示，該無人機在靈活性、障礙跟蹤和回避方面都優于其他系統。
研究人員認為，它的性能將其提高到可以用于對時間敏感的現實世界任務的程度，如搜索和救援行動，或許還可以用于運送貨物。該團隊還實現了軟件和硬件的開源。
展開 無人機飛控系統的原理、組成及各傳感器的作用
垂直運動
垂直運動是五種運動狀態中較為簡單的一種，在保證四旋翼無人機每個旋轉速度大小相等的倩況下，同時對每個旋翼增加或減小大小相等的轉速，便可實現飛行器的垂直運動。
當同時増加四個旋翼轉速時，使得旋翼產生的總升力大小超過四旋翼無人機的重力時，即，四旋翼無人機便會垂直上升；反之，當同時減小旋翼轉速時，使得每個旋翼產生的總升力小于自身重力時，即，四旋翼無人機便會垂直下降，從而實現四旋翼無人機的垂直升降控制。
翻滾運動
翻滾運動是在保持四旋翼無人機前后端旋翼轉速不變的情況下，通過改變左右端的旋翼轉速，使得左右旋翼之間形成一定的升力差，從而使得沿飛行器機體左右對稱軸上產生一定力矩，導致在方向上產生角加速度實現控制的。
如圖所示，增加旋翼1的轉速，減小旋翼3的轉速，則飛行器傾斜于右側飛行；相反，減小旋翼４，增加旋翼２，則飛行器向左傾斜飛行。
俯仰運動
四旋翼飛行器的俯仰運動和滾動運動相似，是在保持機身左右端旋翼轉速不變的前提下，通過改變前后端旋翼轉速形成前后旋翼升力差，從而在機身前后端對稱軸上形成一定力矩，引起角方向上的角加速度實現控制的。
如圖所示，增加旋翼３的轉速，減小旋翼１的轉速，則飛行器向前傾斜飛行；反之，則飛行器向后傾斜。
偏航運動
四旋翼的偏轉運動是通過同時兩兩控制四個旋翼轉速實現控制的。
保持前后端或左右端旋翼轉速相同時，其便不會發生俯仰或滾動運動；而當每組內的兩個旋翼與另一組旋翼轉速不同時，由于兩組旋翼旋轉方向不同，便會導致反扭矩力的不平衡，此時便會產生繞機身中心軸的反作用力，引起沿角角加速度。
展開 
無人機飛控系統的原理、組成及各傳感器的作用
垂直運動
垂直運動是五種運動狀態中較為簡單的一種，在保證四旋翼無人機每個旋轉速度大小相等的倩況下，同時對每個旋翼增加或減小大小相等的轉速，便可實現飛行器的垂直運動。
當同時増加四個旋翼轉速時，使得旋翼產生的總升力大小超過四旋翼無人機的重力時，即，四旋翼無人機便會垂直上升；反之，當同時減小旋翼轉速時，使得每個旋翼產生的總升力小于自身重力時，即，四旋翼無人機便會垂直下降，從而實現四旋翼無人機的垂直升降控制。
翻滾運動
翻滾運動是在保持四旋翼無人機前后端旋翼轉速不變的情況下，通過改變左右端的旋翼轉速，使得左右旋翼之間形成一定的升力差，從而使得沿飛行器機體左右對稱軸上產生一定力矩，導致在方向上產生角加速度實現控制的。
如圖所示，增加旋翼1的轉速，減小旋翼3的轉速，則飛行器傾斜于右側飛行；相反，減小旋翼４，增加旋翼２，則飛行器向左傾斜飛行。
俯仰運動
四旋翼飛行器的俯仰運動和滾動運動相似，是在保持機身左右端旋翼轉速不變的前提下，通過改變前后端旋翼轉速形成前后旋翼升力差，從而在機身前后端對稱軸上形成一定力矩，引起角方向上的角加速度實現控制的。
如圖所示，增加旋翼３的轉速，減小旋翼１的轉速，則飛行器向前傾斜飛行；反之，則飛行器向后傾斜。
偏航運動
四旋翼的偏轉運動是通過同時兩兩控制四個旋翼轉速實現控制的。
保持前后端或左右端旋翼轉速相同時，其便不會發生俯仰或滾動運動；而當每組內的兩個旋翼與另一組旋翼轉速不同時，由于兩組旋翼旋轉方向不同，便會導致反扭矩力的不平衡，此時便會產生繞機身中心軸的反作用力，引起沿角角加速度。
展開 追夢無人機，ANSYS CFD帶你設計帶你飛！
四旋翼飛行器沿各自由度的運動
借助ANSYS Workbench的參數化仿真功能，使用ANSYS Fluent對旋翼的氣動升力進行參數化仿真分析，獲得旋翼在不同轉速下的升力曲線。
通過參數化仿真獲得旋翼在不同轉速下的升力曲線
由于無人機運行環境的復雜多變以及自然風作用的隨機性，無人機在飛行過程中經常要受到側向風的作用，側向風會影響無人機運行的安全性和穩定性，嚴重時還會導致無人機的翻轉和失控，因此有必要在無人機的設計階段對側風穩定性進行深入研究。
使用ANSYS Fluent，對四旋翼飛行器在飛行過程中遭遇5 m/s側向風時的氣動力變化過程進行仿真分析有利于提升無人機運行的安全性和穩定性。
四旋翼飛行器的多面體網格
四旋翼飛行器在側向風作用下的旋翼及機身風壓分布圖
四旋翼飛行器在側向風作用下的旋翼及機身附近流線圖
四旋翼飛行器在側向風作用下的旋翼升力系數變化圖
四旋翼飛行器在側向風作用下的扭轉力矩變化圖
來源：安世亞太
展開 “無人機殺手”狂魔成績非凡，秘密武器未服役就已擊落數十架
▲圖為美國陸軍的測試人員正在查驗用作靶標的小型四旋翼無人機。
盡管存在著很多的局限性，MEHEL激光武器系統當前取得的成績也是非常值得肯定的。別小看這種民用的四旋翼無人機，由于使用的技術相對低端，制造成本非常廉價，所以極其容易獲得。
而一些較為貧窮的武裝，已經開始使用四旋翼無人機來進行火炮校射，發現藏匿于障礙物后方的敵軍人員和裝備。除此之外，中東地區的戰爭雙方還發展出了用于進行自殺式攻擊的無人機，而且一度取得了不小的戰果，獲得外界廣泛的關注。
正是因為很容易制造，使小型無人機可以大量投入戰場，而且往往采用蜂群攻擊的模式，令防御的一方非常頭疼。鑒于現有激光武器存在的不足，美軍也在進行一系列的改進，比如增大功率。斯崔克戰車試驗平臺上，很快就會裝上功率為100千瓦級的激光武器，預計在2022年進行試射。任何新裝備都不是一帆風順的，但可以肯定的是，激光武器在反無人機方面將會發揮極大的作用。
來源：云上的空母
展開 [飛控]從零開始建模(一)-牛頓歐拉方程
上知乎查了一下如何對四旋翼飛行器進行精確的數學建模?
得到的是這樣的答案
我的天！完全看不懂呀，這些公式都是哪來的呀？
查閱資料后發現建模還是有跡可循的，你只需要一點點物理知識即可。ok，讓我們忘記復雜的公式從零開始。
0.建模的目的
不少同學容易把整個控制系統的搭建和被控對象建模搞混，我們常說的建模通常都是對被控對象建模，建模后再進行控制系統搭建，控制系統除了有模型，還有動力分配，狀態更新的過程。
我們先來講講建模，建模的目的是希望得到模型的受力分析，我們給它一個力，它會出現什么狀態？
1.從F=ma開始
所以我們很早其實就接觸過建模了，翻開你從初中物理。
這個公式其實就可以代表一個模型，假設有一個理想的小車，你告訴的它的質量m，根據這個公式我就知道我給一個力F，會產生一個a,有了這個a根據下面的公式你就可以知道小車的速度和位移，我的天！只要我們知道了小車的質量我們幾乎知道了小車的一切。
所以建模是一個跟力有關的過程，你看其實很簡單吧。
2.平移過程
對四旋翼建模也是同樣的思路，只不過四旋翼有三個運動方向，前，右，上。
很好理解吧，有個地方注意一下，這里的加速度a是相對于地理坐標系的，那么飛機受到的有哪些力呢？我們先只考慮最重要的重力，還有四個電機產生的力f1,f2,f3,f4,如果我們假設z軸向上為正，可以得到:
這樣是不是很簡單，四個電機的力都是在z軸方向的，重力也是z軸方向的，但是電機產生的力是機體坐標系下的，我們分析的加速度是在地理坐標系下的所有我們需要加一步坐標變換,還記得我們的好朋友機體坐標系轉地理坐標系的旋轉矩陣嗎?(c表示cos，sb表示sin)
然后我們就得到書上的公式了，什么?不太像!
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