多旋翼飞行器力学特性的分析开题报告

1. 研究目的与意义

随着近年来科技制造行业的飞速发展，起先人们比较陌生的四旋翼飞行器也逐渐的广泛应用于各个领域，人们也对这个新鲜事物也有了全新的认识。其实四旋翼飞行器最早出现在二十世纪的早期，是由当时的美国空军联合Dr.George Bothezat 和Ivan Jerome 共同开发研究的具有垂直飞行能力的飞行器，这也就是现代四旋翼飞行器的鼻祖。但受限于缺少研究经费的支持，该项目不得不遗憾终止，但也第一次证实了这一设计的可行性。如今的四旋翼飞行器已然成了航空航天领域研究的热点。因为四旋翼飞行器特有的机身构造使得其在操控性和稳定性上完胜于固定翼飞行器。此外四旋翼飞行器对所需的起飞降落空间的要求远远低于固定翼飞行器。在姿态保持，空中悬停等方面更是固定翼飞行器无法比拟的。因此，如今的四旋翼飞行器已在侦察与营救任务，科学数据收集，地质、林业勘探，农业病虫害防治，以及视频监控，影视制作等各个领域中大显身手。本课题主要通过对其建立相应的力学模型，分析其受力特性，来揭示四旋翼飞行器是如何实现悬停，偏航，翻滚等各项飞行指令的。以便于更加深化对四旋翼飞行器的飞行原理的了解，也能够对其构造或者其他方面做出优化建议，使其能够更加满足今后各项实际的飞行任务。

2. 研究内容和预期目标

本课题主要研究四旋翼飞行器的力学建模以及其在飞行过程中的受力特性。重点解决的难题是四旋翼飞行器在通过调节自身四个桨叶的转速来完成各个飞行姿态时的受力状况。

以下将结合四旋翼飞行器实际飞行方式以及其物理模型简图来介绍在理想情况下（四旋翼飞行器不受其它外力影响），飞行器的受力状况。由图可知，四个旋翼依次编号为1,2,3,4。在悬停状态时，通过调节旋翼转速，使得1,2,3,4的旋翼转速保持一致，并且使它们产生的总升力与机体所受的总重力相等，则飞行器可以保持悬停。由于四个旋翼的转速都是一致的，且旋转方向两两相反，所以它们产生的空气反扭矩可以相互抵消，这也正是四旋翼可以保持机身平稳的原因。若需要飞行器左倾飞行时，只需同时提高3,4旋翼的转速，并且降低1,2旋翼的转速。使得它们产生的总升力仍旧等于其所受的总重力。在此同时，由于3,4旋翼的转速提高之后，它们的升力大于1,2旋翼产生的升力。因此，3,4旋翼上将产生绕机身原点的力矩大于1,2旋翼产生的力矩。通过力矩简化，将得到一个水平向左的合力矩，使得机身左倾。同时，1,2,3,4旋翼的升力在水平方向上的分力都向左，所以实现了飞行器的左倾飞行。最后是飞行器的偏航。同时提高2,4旋翼的转速，降低1,3旋翼的转速，但依旧保持其所产生的总升力等于其重力。这样飞行器就能保持在水平面。由于2,4旋翼的转速提升，其产生的空气反扭矩之和大于1,3旋翼产生的空气反扭矩之和。因此将扭矩合并分析之后，有一逆时针方向的扭矩作用于机身，使得机身可以水平旋转任意角度，完成偏航飞行。

3. 研究的方法与步骤

本课题主要采用模型法通过精确的力学建模来将四旋翼飞行器模型化研究，以及采用文献研究法和实验法辅助进行，实验法将通过实际操控四旋翼飞行器实物来更直观的研究其飞行特性。

步骤如下：1.先通过文献研究法查阅相关文献，从而更加全面地，正确地认识以及了解该研究课题的科研现状，熟知最新的科研动态。2.通过实验法，在实际操控四旋翼飞行器的过程中，仔细观察其飞行特性与桨叶转速之间的关联，结合查阅的相关文献对研究课题有更深一步的认识和了解。3.最终通过力学建模，将所有问题数学化，利用相关空气动力学原理和受力分析来揭示四旋翼飞行器的飞行工作原理。

4. 参考文献

1.聂博文; 马宏绪; 王剑; 王建文,微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术, 电光与控制, 2007年06期

2.许云清，四旋翼飞行器飞行控制研究，硕士学位论文，厦门大学， 2014

3.李俊；李运堂，四旋翼飞行器的动力学建模及pid 控制，辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2012年02月

5. 计划与进度安排

[1]3月 2日- 3月22日, 文献检索，提交开题报告

[2]3月23 日 -4月26日, 论文研究，提交外文翻译初稿

[3]4月 27 日- 5 月31日, 论文研究，提交论文初稿