多旋翼飞行器设计与控制（三）—— 机架设计

多旋翼飞行器设计与控制（三）—— 机架设计

一、布局设计

1、机身基本布局

共有三种：环型、***+字型***、X字型

常用X字型：

• 机动性更强
• 前视相机的视场角不容易被遮挡

环形的特点：

• 刚性更大
• 避免飞行中的振动，增强结构强度
• 增加机架重量与转动惯量，灵活性降低

2、旋翼安装

从布局上，分为常规布局和共轴双桨，共轴双桨的优点是不增加多旋翼整体尺寸、减少了螺旋桨对照相机视场的遮挡。 需要注意的是这会降低单个螺旋桨的效率，共轴双桨只相当于1.6个螺旋桨。

从桨盘角度上分为水平安装与倾斜安装，水平安装需要云台使相机保持水平，而倾斜安装不需要云台。

从朝向来看，桨盘可以位于机臂位置的上方或者下方。

3、旋翼和机体半径

$$R=\frac{r_{max}}{sin(\theta /2)}=\frac{r_{max}}{sin(180^{。}/n_r)}$$

$$R为机架半径，旋翼最大半径为r_{max}，\theta 为轴间夹角,n_r为机臂数$$

$$一般螺旋桨半径满足r_{max}=1.05r_p到1.2r_p$$

4、重心设计

前飞情形时，如果多旋翼重心在桨盘平面下方，那么阻力形成的力矩会促使多旋翼俯仰角转向0度方向，若多旋翼重心在桨盘平面上，那么阻力形成的力矩会促使多旋翼俯仰角朝发散方向发展，直至翻转。因此，当多旋翼前飞时，重心在桨盘平面下方会使前飞运动稳定。

在风干扰情形下，如果多旋翼重心在下，那么阻力形成的力矩会促使多旋翼俯仰角朝发散的方向发展，直至翻转。若多旋翼重心在上，那么阻力形成的力矩会促使多旋翼俯仰趋向于0。因此，当多旋翼受到外界风干扰时，重心在桨盘平面的上方可以抑制扰动。

综上，需要通过反馈控制将多旋翼平衡。实际中将中心靠近多旋翼中心稍稍靠下。

5、自驾仪安装

理想位置应在多旋翼的中心。若自驾仪离飞行器中心较远，由于存在离心加速度和切向加速度, 将会引起加速度计的测量误差,即“杆臂效应”。

6、气动布局

• 减少最大迎风面积
• 流线型机身
• 部件连接处尽量圆滑过渡
• 通过CFD仿真计算阻力系数

二、结构设计

主要围绕减震和减噪进行设计

飞控板上的加速度传感器对振动十分敏感，而加速度信号直接关系到姿态角和位置的估计，因此十分重要。具体地：

• 加速度信号直接关系到姿态角和姿态角速率的估计。
• 飞控程序融合了加速度计和气压计、GPS数据来估计飞行器的位置。而在
• 飞行器定高、悬停、返航、导航、定点和自主飞行模式下，位置估计很关键

关于噪声，多旋翼机身处在螺旋桨直接辐射的声场中，各类传感器可能受到噪声影响而失真。可以搭载机载的声传感器探测到某个螺旋桨所产生的噪声，通过闭环反馈，系统可以利用另一个螺旋桨进行相应的抗噪，从而抵消所产生的噪声。