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四軸飛行器的姿態(tài)控制和飛行原理 發(fā)布時間:2020-01-08   瀏覽量:10312次

四軸飛行器是近年來十分受青少年歡迎的一種飛行器,也是航模的一個重要組成部分。下面就一起來了解一下它的飛行原理吧。


為了能夠讓四軸飛行器保持飛行,需要加上計算機的幫助。簡單來說,需要在四軸飛行器上裝一臺計算機,這臺計算機能夠“感覺”到飛行器目前的姿態(tài)。

四軸飛行器.jpg

 比如說,飛行器現(xiàn)在往左發(fā)生了傾斜,計算機“感受”到之后,立即向四個螺旋槳發(fā)出控制信號,使左側(cè)的螺旋槳加大轉(zhuǎn)速,右側(cè)的螺旋槳減少轉(zhuǎn)速,重新使飛行器回到平衡的姿態(tài)。這個過程必須非常快,通常在幾十毫秒內(nèi)完成。因為一旦飛行器發(fā)生了傾斜,螺旋槳向下的推力變?yōu)閭?cè)下方的推力,就像把一個球放到斜坡上,便會離開自己的位置。


為了不使人感覺到四軸飛行器的移動,需要盡可能快地把所有姿態(tài)糾正的動作完成,這時飛行器就會不停地抖動。


垂直運動

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圖(a)中,因有兩對電機轉(zhuǎn)向相反,可以平衡其對機身的反扭矩,當(dāng)同時增加四個電機的輸出功率,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的重量時,四旋翼飛行器便離地垂直上升;反之,四旋翼飛行器則垂直下降,直至平衡落地,實現(xiàn)了沿z軸的垂直運動。當(dāng)外界擾動量為零時,在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時,飛行器便保持懸停狀態(tài)。


俯仰運動

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圖(b)中,電機1的轉(zhuǎn)速上升,電機3的轉(zhuǎn)速下降,電機2、電機4的轉(zhuǎn)速保持不變。為了不因為旋翼轉(zhuǎn)速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變,旋翼1與旋翼3轉(zhuǎn)速改變量的大小應(yīng)相等。


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身繞y軸旋轉(zhuǎn)(方向如圖所示),同理,當(dāng)電機1的轉(zhuǎn)速下降,電機3的轉(zhuǎn)速上升,機身便繞y軸向另一個方向旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)飛行器的俯仰運動。


滾轉(zhuǎn)運動

微信圖片_20200108133757.jpg

與圖(b)的原理相同,在圖(c)中,改變電機2和電機4的轉(zhuǎn)速,保持電機1和電機3的轉(zhuǎn)速不變,則可使機身繞x軸旋轉(zhuǎn)(正向和反向),實現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運動。


偏航運動

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四旋翼飛行器偏航運動可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來實現(xiàn)。旋翼轉(zhuǎn)動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉(zhuǎn)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(zhuǎn),兩個反轉(zhuǎn),且對角線上的各個旋翼轉(zhuǎn)動方向相同。


反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān),當(dāng)四個電機轉(zhuǎn)速相同時,四個旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡,四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動;當(dāng)四個電機轉(zhuǎn)速不完全相同時,不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動。


在圖(d)中,當(dāng)電機1和電機3的轉(zhuǎn)速上升,電機2和電機4的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動,實現(xiàn)飛行器的偏航運動,轉(zhuǎn)向與電機1、電機3的轉(zhuǎn)向相反。因為電機的總升力不變,飛機不會發(fā)會垂直運動。


前后運動

微信圖片_20200108133802_副本.jpg

要想實現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運動,必須在水平面內(nèi)對飛行器施加一定的力。在圖(e)中,增加電機3轉(zhuǎn)速,使拉力增大,相應(yīng)減小電機1轉(zhuǎn)速,使拉力減小,同時保持其它兩個電機轉(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,因此可以實現(xiàn)飛行器的前飛運動。向后飛行與向前飛行正好相反。當(dāng)然在圖(b)圖(c)中,飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運動的同時也會產(chǎn)生沿x、y軸的水平運動。


側(cè)向運動

微信圖片_20200108133806_副本.jpg

在圖(f)中,由于結(jié)構(gòu)對稱,所以側(cè)向飛行的工作原理與前后運動完全一樣。


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