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多旋翼課程一(四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)和原理)設(shè)計(jì)
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  • 多旋翼課程一(四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)和原理)四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)和原理
    1.結(jié)構(gòu)形式 
          旋翼對(duì)稱分布在機(jī)體的前后、左右四個(gè)方向,四個(gè)旋翼處于同一高度平面,且四個(gè)旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同,四個(gè)電機(jī)對(duì)稱的安裝在飛行器的支架端,支架中間空間安放飛行控制計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備。結(jié)構(gòu)形式如圖 1.1所示。 

    .工作原理 
          四旋翼飛行器通過(guò)調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變旋翼轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)升力的變化,從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機(jī),但只有四個(gè)輸入力,同時(shí)卻有六個(gè)狀態(tài)輸出,所以它又是一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 


          四旋翼飛行器的電機(jī) 1和電機(jī) 3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí),電機(jī) 2和電機(jī) 4順時(shí)針旋轉(zhuǎn),因此當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí),陀螺效應(yīng)和空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消。
          在上圖中,電機(jī) 1和電機(jī) 3作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),電機(jī) 2和電機(jī) 4作順時(shí)針旋轉(zhuǎn),規(guī)定沿 x軸正方向運(yùn)動(dòng)稱為向前運(yùn)動(dòng),箭頭在旋翼的運(yùn)動(dòng)平面上方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速提高,在下方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。
     (1)垂直運(yùn)動(dòng):同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的輸出功率,旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大,當(dāng)總拉力足以克服整機(jī)的重量時(shí),四旋翼飛行器便離地垂直上升;反之,同時(shí)減小四個(gè)電機(jī)的輸出功率,四旋翼飛行器則垂直下降,直至平衡落地,實(shí)現(xiàn)了沿 z軸的垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外界擾動(dòng)量為零時(shí),在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時(shí),飛行器便保持懸停狀態(tài)。
    (2)俯仰運(yùn)動(dòng):在圖(b)中,電機(jī) 1的轉(zhuǎn)速上升,電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速下降(改變量大小應(yīng)相等),電機(jī) 2、電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速保持不變。由于旋翼1 的升力上升,旋翼 3 的升力下降,產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞 y 軸旋轉(zhuǎn),同理,當(dāng)電機(jī) 1 的轉(zhuǎn)速下降,電機(jī) 3的轉(zhuǎn)速上升,機(jī)身便繞y軸向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。 
    (3)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng):與圖 b 的原理相同,在圖 c 中,改變電機(jī) 2和電機(jī) 4的轉(zhuǎn)速,保持電機(jī)1和電機(jī) 3的轉(zhuǎn)速不變,則可使機(jī)身繞 x 軸旋轉(zhuǎn)(正向和反向),實(shí)現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 
    (4)偏航運(yùn)動(dòng):旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中由于空氣阻力作用會(huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩,為了克服反扭矩影響,可使四個(gè)旋翼中的兩個(gè)正轉(zhuǎn),兩個(gè)反轉(zhuǎn),且對(duì)角線上的各個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān),當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí),四個(gè)旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡,四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí),不平衡的反扭矩會(huì)引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖 d中,當(dāng)電機(jī) 1和電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速上升,電機(jī) 2 和電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速下降時(shí),旋翼 1和旋翼3對(duì)機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對(duì)機(jī)身的反扭矩,機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞 z軸轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)向與電機(jī) 1、電機(jī)3的轉(zhuǎn)向相反。 
    (5)前后運(yùn)動(dòng):要想實(shí)現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運(yùn)動(dòng),必須在水平面內(nèi)對(duì)飛行器施加一定的力。在圖 e中,增加電機(jī) 3轉(zhuǎn)速,使拉力增大,相應(yīng)減小電機(jī) 1轉(zhuǎn)速,使拉力減小,同時(shí)保持其它兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變,反扭矩仍然要保持平衡。按圖 b的理論,飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜,從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量,因此可以實(shí)現(xiàn)飛行器的前飛運(yùn)動(dòng)。向后飛行與向前飛行正好相反。(在圖 b 圖 c中,飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生沿 x、y軸的水平運(yùn)動(dòng)。) 
    (6)傾向運(yùn)動(dòng):在圖 f 中,由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱,所以傾向飛行的工作原理與前后運(yùn)動(dòng)完全一樣。 
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