机架设计

暮荣泽

机架的设计

  1.机架布局

  1.机身布局

  （1）常规（交叉）结构

  以四旋翼为例，常规结构的四旋翼飞行器采用四个旋翼作为直接动力源，两根硬杆垂直交叉于中心，旋翼对称分布在四个机臂末端，而机身中间的空间一般用于放置自驾仪以及其他外部设备。 如A,B图所示，四旋翼按机头与机架的角度关系可分为十字型和X字型结构。X字型相比十字型具有更高的机动性（有更多的旋翼参与拊仰和滚转姿态控制），而且可以有效减少机臂以及旋翼对云台视野的遮挡，所以目前X字型结构更流行。

  （2）环形布局

  环形布局的基本外形如C图所示。其机架是一个整体，与传统交叉型机架相比，刚性更大，更助于减小飞行时电机与螺旋桨所产生的震动。作为代价，环形布局会增加机身体积和重量，在一定基础上降低了多旋翼的机动性。

                                                      

  2.旋翼安装

  (1)常规和共轴双桨

目前最常见的旋翼安装形式是在每个机臂末端安装一个螺旋桨(如图(a)所示)，也叫做平铺形式或常规形式。但是，有时需要在不增加多旋翼的整体尺寸前提下，通过增加螺旋桨的数量来获得更大的载重能力，就可以采用共轴双桨形式(如图(b)所示，机臂末端上下并排安装两个桨)。由于上下旋翼之间存在气流干扰，共轴双桨形式会降低单个螺旋桨的效率。部分数据显示，上下两个桨的总效率大约相当于平铺形式下的1.6个桨的效率。但是我们仍然可以采用一些优化手段在一定程度上提高共轴双桨效率，如上下采用不同尺寸的电机和螺旋桨的组合。

                                                               

  上下螺旋桨之间的间距也会对共轴双桨效率产生影响。佳荐上下两桨间距满足关系h|rp>0.357,其中h和r。的定义如图。而在机械设

计方面，为了简单起见，通常采用两个电机底座固连的方式构成共轴双浆。

                                                      

  （2)桨盘角度

    大部分多旋翼的螺旋桨桨盘是水平装配的，因为这样的机架设计起来简单而且易于控制。但是在这种设计下，螺旋桨产生的拉力始终垂直于机身平面，所以多旋翼在前飞时，必须先改变机身倾角来获得水平方向的分力。为了能够在飞行时向前拍摄，多旋翼必须同步调整云台方向来维持镜头水平如图。除了水平装配外，有些多旋翼的螺旋桨桨盘是倾斜装配的，每个桨盘都与水平面成特定的倾角。这种设计带来的好处是螺旋桨产生的力在机体轴三个轴方向上都有分量，所以飞行器前飞时并不需要倾斜机身如图，因此不需云台也能使镜头始终水平。实现这种飞行控制至少需要六个独立的控制变量，因此需要至少六个螺旋桨，如众筹产品CyPhyLVL1如图就是采用了这种设计形式。也有研究者设计螺旋桨桨盘角度可调的多旋翼，以便实现更灵活的控制。