四軸無人機原理

huage30 2021-10-17

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目錄

1、無人機概述
 2、四旋翼飛行器結構
 3、空氣動力學原理
 參考

無人機概述

　　無人駕駛飛機，簡稱無人機，英文Unmaned Aerial Vehicle, UAV。也就是說，無人機所表示的是沒有駕駛員的飛機，飛機通過機載的計算機系統(tǒng)自動對飛行的平衡進行有效的控制，并通過預先設定或飛機自動生成的復雜航線進行飛行，并在飛行過程中自動執(zhí)行相關任務和異常處理。通常無人機分為完全離線飛機與半離線飛機，完全離線飛機可完全不與地面系統(tǒng)進行交互，自動完成一個或多個飛行任務，并在執(zhí)行完任務之后返航或在指定地點降落；半離線飛機在自動執(zhí)行飛行任務期間，可由地面系統(tǒng)（地面站）進行指令控制，人工干預其飛行任務，并在緊急情況下執(zhí)行地面系統(tǒng)的緊急命令，例如：返航、迫降、自毀等?？梢哉f，無人機是由機載計算機系統(tǒng)和地面系統(tǒng)一起組合起來的可以自行完成飛行任務的無駕駛員的飛行器。從控制上講可以完全脫離地面的實時控制，其組成由飛機機架、動力系統(tǒng)、自平衡系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、航線規(guī)劃系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、任務執(zhí)行系統(tǒng)、與地面站通訊系統(tǒng)等等。從用途上講，無人機主要用于軍事用途或特殊民用?！?/p>

　　近年來，由于開源無人機飛行控制器及自動飛機駕駛儀的不斷發(fā)展，技術已經(jīng)趨于成熟，全世界數(shù)以萬計的優(yōu)秀人才在為開源無人機項目貢獻代碼。使得越來越多的普通人可以輕松進入這個領域。通常，無人機分為三類：固定翼飛機、單旋翼直升機、多旋翼直升機。在早期，固定翼飛機與直升機占有主導地位，近十年來多旋翼的理論日趨成熟，組裝簡單，超控靈活，漸漸成為了人們喜愛的無人機。

固定翼飛機

　　依靠推進系統(tǒng)（前拉式螺旋槳或后推式螺旋槳）產(chǎn)生前進的動力，從而使飛機快速前行。當飛機獲得了前進的速度后，由氣流的作用到飛機的翼展上（伯努利原理）產(chǎn)生上升的拉力，當拉力大于機身重力時，飛機處于上升飛行狀態(tài)。固定翼飛的左右（橫滾）平衡依靠左右主機翼的掠角大小來調節(jié)，前后（俯仰）平衡依靠尾舵的掠角來調節(jié)，方向（航向）依靠垂向尾舵來調節(jié)，當然，固定翼飛機的航向通常是靠橫滾和俯仰組合動作來完成，這不是我們的主要研究方向，在這里不再贅述。

優(yōu)點：續(xù)航時間長，速度快。

缺點：需要跑道，不能垂直起降。

單旋翼直升機

單旋翼直升機簡稱為直升機。我們在這里所講述的單旋翼和多旋翼在機械結構、控制原理、飛行理論上有本質的區(qū)別，請讀者不要混淆。單旋翼直升機（以后簡稱直升機）主動力系統(tǒng)只有一個大型的螺旋槳，主要作用是提供飛行的上升動力，所以當上升動力大于機身重力時，飛機處于上升狀態(tài)。而由于直升機只有一個主動力槳，當主動力電機高速旋轉時，螺旋槳的旋轉會對機身產(chǎn)生一個反向的作用力——反扭力。在反扭力的作用下，飛機會產(chǎn)生與螺旋槳旋轉方向相反的自旋。為了解決直升機的自旋，就需要在飛機的尾部追加一個水平方向的小型螺旋槳，其產(chǎn)生的拉力主要用于抵消機身自旋，當直升機需要改變航向時，也可以通過尾部螺旋槳來調節(jié)。除了主動力電機與尾翼電機之外，通常還有三個舵機，用于改變主動力槳的螺距，使機身產(chǎn)生橫滾和俯仰姿態(tài)，從而使飛機前飛、后飛或向左、向右飛行。

優(yōu)點：可以垂直起降，空中懸停。

缺點：續(xù)航時間短，機械結構繁雜，操控難度大，飛行速度慢。

多旋翼直升機

由三個、四個或更多螺旋槳所組成的無機。最典型、最常見的就是四旋翼直升機（以后簡稱四旋翼）。四旋翼有四個軸，安裝四個螺旋槳，同樣可以由螺旋槳的高速旋轉產(chǎn)生向上的拉力實現(xiàn)垂直起降。但與直升機不同的是，多旋翼的前進、后退、向左、向右飛行靠的是四個螺旋槳不同的轉速，而不是像直升機那樣靠改變主動力槳的螺距，因為四旋翼槳的螺距是固定的，槳的尺寸也是固定的。四旋翼的四個軸的軸距通常也是相同的，所以其動力體系通常也是對稱的。三旋翼、六旋翼、八旋翼或其它多旋翼除了將動力和力矩分配到多個螺旋槳的方案不同之外，與四旋翼沒有本質上的區(qū)別?？梢哉f，學習并掌握了四旋翼之后，也就可以舉一反三的懂得了其它多旋翼的原理與動力系統(tǒng)。

優(yōu)點：可以垂直起降，空中懸停，結構簡單，操作靈活。

缺點：續(xù)航時間短，飛行速度慢。

四旋翼飛行器結構

　　四軸飛行器四個電機呈十字形排列, 驅動四片槳旋轉產(chǎn)生向上的推力。四個電機軸距幾何中心的距離相等, 當對角兩個軸產(chǎn)生的升力相同時能夠保證力矩的平衡, 四軸不會向任何一個方向傾轉; 而四個電機一對正轉,一對反轉的方式使得繞豎直軸方向旋轉的反扭矩平衡, 保證了四軸航向的穩(wěn)定。

與傳統(tǒng)的直升機相比，四旋翼飛行器有下列優(yōu)勢：各個旋翼對機身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉方向相反，因此當電機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，可以平衡旋翼對機身的反扭矩。

根據(jù)用戶自定義的機頭的位置不同，四軸飛行器可以分為x模式和+模式。x模式的機頭方向位于兩個電機之間，而+模式的機頭方向位于某一個電機上。x和+就是表示正對機頭方向時飛行器的形狀。如下圖所示。x模式要難飛一點，但動作更靈活。+模式要好飛一點，動作靈活差一點，所以適合初學者。特別注意，x模式和+模式的飛控安裝是不同的。如果飛控板安裝錯誤，會劇烈的晃動，根本無法飛。

空氣動力原理

四旋翼飛行器在空間共有6個自由度（分別沿3個坐標軸作平移和旋轉動作），這6個自由度的控制都可以通過調節(jié)不同電機的轉速來實現(xiàn)?；具\動狀態(tài)分別是：

垂直運動；
俯仰運動；
滾轉運動；
偏航運動；
前后運動；
側向運動。

在圖中，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(guī)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。

垂直運動：垂直運動相對來說比較容易。在圖中，因有兩對電機轉向相反，可以平衡其對機身的反扭矩，當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(xiàn)了沿z軸的垂直運動。當外界擾動量為零時，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)。保證四個旋翼轉速同步增加或減小是垂直運動的關鍵。

俯仰運動：在圖（b）中，電機1的轉速上升，電機3的轉速下降，電機2、電機4的轉速保持不變。為了不因為旋翼轉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轉速該變量的大小應相等。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（方向如圖所示），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(xiàn)飛行器的俯仰運動。

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(xiàn)飛行器的滾轉運動。

偏航運動：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(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)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(xiàn)飛行器的偏航運動，轉向與電機1、電機3的轉向相反。

前后運動：要想實現(xiàn)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(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。

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。