多旋翼課程一(四旋翼飛行器結構和原理)設計
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- 多旋翼課程一(四旋翼飛行器結構和原理)四旋翼飛行器結構和原理
1.結構形式
旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向,四個旋翼處于同一高度平面,且四個旋翼的結構和半徑都相同,四個電機對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算機和外部設備。結構形式如圖 1.1所示。
.工作原理
四旋翼飛行器通過調節四個電機轉速來改變旋翼轉速,實現升力的變化,從而控制飛行器的姿態和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機,但只有四個輸入力,同時卻有六個狀態輸出,所以它又是一種欠驅動系統。
四旋翼飛行器的電機 1和電機 3逆時針旋轉的同時,電機 2和電機 4順時針旋轉,因此當飛行器平衡飛行時,陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。
在上圖中,電機 1和電機 3作逆時針旋轉,電機 2和電機 4作順時針旋轉,規定沿 x軸正方向運動稱為向前運動,箭頭在旋翼的運動平面上方表示此電機轉速提高,在下方表示此電機轉速下降。
(1)垂直運動:同時增加四個電機的輸出功率,旋翼轉速增加使得總的拉力增大,當總拉力足以克服整機的重量時,四旋翼飛行器便離地垂直上升;反之,同時減小四個電機的輸出功率,四旋翼飛行器則垂直下降,直至平衡落地,實現了沿 z軸的垂直運動。當外界擾動量為零時,在旋翼產生的升力等于飛行器的自重時,飛行器便保持懸停狀態。
(2)俯仰運動:在圖(b)中,電機 1的轉速上升,電機 3 的轉速下降(改變量大小應相等),電機 2、電機 4 的轉速保持不變。由于旋翼1 的升力上升,旋翼 3 的升力下降,產生的不平衡力矩使機身繞 y 軸旋轉,同理,當電機 1 的轉速下降,電機 3的轉速上升,機身便繞y軸向另一個方向旋轉,實現飛行器的俯仰運動。
(3)滾轉運動:與圖 b 的原理相同,在圖 c 中,改變電機 2和電機 4的轉速,保持電機1和電機 3的轉速不變,則可使機身繞 x 軸旋轉(正向和反向),實現飛行器的滾轉運動。
(4)偏航運動:旋翼轉動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉動方向相反的反扭矩,為了克服反扭矩影響,可使四個旋翼中的兩個正轉,兩個反轉,且對角線上的各個旋翼轉動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉速有關,當四個電機轉速相同時,四個旋翼產生的反扭矩相互平衡,四旋翼飛行器不發生轉動;當四個電機轉速不完全相同時,不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉動。在圖 d中,當電機 1和電機 3 的轉速上升,電機 2 和電機 4 的轉速下降時,旋翼 1和旋翼3對機身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩,機身便在富余反扭矩的作用下繞 z軸轉動,實現飛行器的偏航運動,轉向與電機 1、電機3的轉向相反。
(5)前后運動:要想實現飛行器在水平面內前后、左右的運動,必須在水平面內對飛行器施加一定的力。在圖 e中,增加電機 3轉速,使拉力增大,相應減小電機 1轉速,使拉力減小,同時保持其它兩個電機轉速不變,反扭矩仍然要保持平衡。按圖 b的理論,飛行器首先發生一定程度的傾斜,從而使旋翼拉力產生水平分量,因此可以實現飛行器的前飛運動。向后飛行與向前飛行正好相反。(在圖 b 圖 c中,飛行器在產生俯仰、翻滾運動的同時也會產生沿 x、y軸的水平運動。)
(6)傾向運動:在圖 f 中,由于結構對稱,所以傾向飛行的工作原理與前后運動完全一樣。
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