小型水面救援无人机结设计（附SolidWorks模型、CAD图纸、有限元分析）

摘要

本文围绕小型水面救援无人机结构及控制系统设计开展工程设计研究。针对近岸水域、湖泊水库、景区河道等视距范围内落水人员救援中人工响应速度慢、救援人员靠近危险区域风险高以及轻型救援物资难以及时投送等问题，提出一种基于X型四旋翼平台的小型水面救援无人机设计方案。该无人机主要用于视距范围内的低空飞行、稳定悬停和轻型救援物资投放，设计目标为机体尺寸约500 mm、最大救援载荷约0.5 kg、单次有效飞行时间约8~10 min。

在机械结构设计方面，本文完成了无人机总体布局、机臂、机身上下连接板、电机安装结构以及救援抛投装置的设计。救援抛投装置采用舵机驱动连杆式锁扣机构，可实现充气式救生包、小型救生浮具等轻型救援物资的稳定挂载与释放。通过SolidWorks建立无人机主要零部件和整机三维模型，并利用SolidWorks Simulation对机架进行静力学和模态分析。静力学分析结果表明，在电机等效载荷和救援载荷共同作用下，机架最大等效应力为7.179 MPa，最大位移为0.096 mm，安全系数约为7.68，满足基本强度和刚度要求。模态分析得到机架前五阶固有频率分别为78.424 Hz、79.387 Hz、79.494 Hz、80.537 Hz和135.840 Hz，可为后续结构优化和避振设计提供参考。

在控制系统设计方面，本文以STM32F103C8T6单片机为核心，完成姿态测量模块、电子调速器、无刷电机、电源模块、无线遥控模块和抛投舵机控制接口的设计，并基于姿态解算原理设计位置式PID控制算法，用于实现无人机姿态稳定控制。设计结果表明，本文所设计的小型水面救援无人机结构较为紧凑，功能模块划分明确，能够基本满足小范围水面救援场景下快速响应、稳定悬停和轻型救援物资投放等设计需求，可为小型水面救援无人机结构设计和控制系统搭建提供一定参考。

关键词：小型水面救援无人机；四旋翼无人机；结构设计；有限元分析；PID控制

引言 5
1课题的意义 5
1.1课题的背景 5
1.3国内外研究现状 6
1.4研究内容与研究方法 9
1.5论文主要内容 11
2 无人机总体方案设计 11
2.2总体方案设计 12
2.3救援方案 13
3 无人机机械结构设计 15
3.1无人机的运动机理 15
3.2无人机结构的设计 17
3.3动力系统选型与校核 20
3.4救援抛投装置设计 21
3.5抛投装置结构组成 21
3.6抛投装置工作原理 22
4 三维建模与惯导系统的数学建模 22
4.1 SW实体特征建模 22
4.2 三维模型建立 23
4.3无人机惯导系统的数学建模 25
5 关键零部件有限元分析 27
5.1模态分析理论基础 27
5.2 有限元模型建立与边界条件 27
5.3 机架静力学分析 28
5.4机架模态分析 30
5.5本章小结 32
6无人机电控系统设计 32
6.1电控系统总体结构的设计 32
6.2电控系统硬件模块的设计与实现 33
6.3PID控制算法设计 43
6.3.5抛投舵机控制设计 48
6.3.6 PID参数整定方法 48
7 结论 49
谢辞 50
参考文献 51