1.1 四轴飞行器研究背景

虽然早期技术的局限性，限制了旋翼飞行器的发展；但是，旋翼飞行器却拥有其自身独特的优点:

(1) 简单的机械结构，使其不需要调整飞行器旋翼的倾斜角度便可进行灵活的飞行；

(2) 体积小且质量轻，适用环境广，且不易受环境条件的限制；

2010年，法国Parrot公司发布了世界上首款流行的四旋翼飞行器AR.Drone。作为一个高科技玩具，它的性能非常优秀：轻便、灵活、安全、控制简单，还能通过传感器悬停，用WIFI传送相机图像到手机上。

AR.Drone的流行让四旋翼飞行器开始广泛进入人类社会。在玩具这个尺寸上，多旋翼飞行器的优势就显示出来了，同尺寸的固定翼基本飞不起来，而同尺寸的直升机因为机械结构复杂，根本没法低成本地制作出稳定的产品。

2012年2月，宾夕法尼亚大学的Vijay Kumar教授在TED上做出了四旋翼飞行器发展历史上里程碑式的演讲。这一场充满数学公式的演讲居然大受欢迎，迄今已经有三百多万次观看，是TED成百上千个演讲中浏览量最高的演讲之一。

自此之后，四旋翼飞行器受到的关注度迅速提升，成为了新的商业焦点。

1.2 四轴飞行器研究现状

1.2.1 国外现状

1.2.2 国内现状

1.3 研究的目的及意义

目前，四轴飞行器主要偏重于飞控算法的研究，关于机械结构优化的设计还未涉及。同时，对于飞行器的机架、机臂等一些塑料件的制造一般采用传统的制造技术。传统制造技术机械设备占用的空间比较大，工作环境恶劣，对加工出来的产品还需要再加工，比较适合于批量生产、结构简单且形状尺寸要求不严格的产品。而3D打印成型技术设备体积小，不需要单独的车间来放置打印机，而且结构简单，材料丰富，能制造出一些结构比较复杂的产品，比较适合于私人订制类型创新产品的制造。

1.4 四轴飞行器研究难点

利用3D打印技术在成型四轴飞行器的整体结构上，具有以下难点：

（1）轻量化的设计和优化问题

四轴飞行器的发展趋向于微小型化。如何设计出重量体积轻便，速度快但能耗与成本低的飞行器是一直以来矛盾的问题，要解决这些矛盾就要根据性能和价格选择或者研发合适的材料，同时还要考虑到材料的局限性。因此，四轴飞行器整机最优化设计在一定程度上是一个对新材料、新能源领域的巨大挑战。

（2）结构可靠性与模型准确性问题

微小的扰动便能影响飞行器的整个飞行系统。四轴飞行器的旋翼也会随着转速变化产生一定形变，需要将形变对飞行的影响尽可能的缩小。因此在保证四轴飞行器重量及能耗相对合理的情况下，需要保证飞行器整体结构的稳定性，通过不断的飞行测试，以及不同状况下的受损程度，以检验3D成型的飞行器能否在正常状态下持续稳定工作。

2 四轴飞行器基本原理及论证

2.1 飞行器的结构与组成

如图2-1所示四轴飞行器的主要组成部分如下：

(1) 机架部分：用于固定旋翼和飞控电路的重要组成部分，在3D成型中一般使用的打印材料是PLA，一方面可以减轻本身的重量，另一方又可以满足它的稳定性。

(2) 旋翼部分：该部分在飞行器机架四条臂的末端，是整个四轴飞行器的动力来源，其中包括电机、正、反浆叶以及一些固定螺旋桨的材料。

(3) 控制电路：该部分固定在机架的中心部分，这样可以保证四轴飞行器的重心在整个机构中心。该部分的功能主要是采集当前姿态，并控制电机进行不同状态的飞行。其中包括主控制器部分、MEMS传感器部分、遥控接收机、电源处理等。