多旋翼無人機的結構和原理

2020-12-05 電子產品世界

　　翼型的升力：

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/368117.htm

　　升力的來龍去脈這是空氣動力學中的知識，研究的內容十分廣泛，本文只關注通識理論，闡述對翼型升力和旋翼升力的原理。

　　根據流體力學的基本原理，流動慢的大氣壓強較大，而流動快的大氣壓強較小。由於機翼一般是不對稱的，上表面比較凸，而下表面比較平（翼型），流過機翼上表面的氣流就類似於較窄地方的流水，流速較快，而流過機翼下表面的氣流正好相反，類似於較寬地方的流水，流速較上表面的氣流慢。大氣施加與機翼下表面的壓力（方向向上）比施加於機翼上表面的壓力（方向向下）大，二者的壓力差便形成了升力。［摘自升力是怎樣產生的］。

　　所以對於通常所說的飛機，都是需要助跑，當飛機的速度達到一定大小時，飛機兩翼所產生的升力才能抵消重力，從而實現飛行。

　　旋翼的升力飛機，直升機和旋翼機三種起飛原理是不同的。飛機依靠助跑來提供速度以達到足夠的升力，而直升機依靠旋翼的控制旋轉在不進行助跑的條件下實現垂直升降，直升機的旋轉是動力系統提供的，而旋翼旋轉會產生向上的升力和空氣給旋翼的反作用力矩，在設計中需要提供平衡旋翼反作用扭矩的方法，通常有單旋翼加尾槳式（尾槳通常是垂直安裝）、雙旋翼縱列式（旋轉方向相反以抵消反作用扭矩）等;而旋翼機則介於飛機和直升機之間，旋翼機的旋翼不與動力系統相連，由飛行過程中的前方氣流吹動旋翼旋轉產生升力（像大風車一樣），即旋翼為自轉式，傳遞到機身上的扭矩很小，無需專門抵消。

　　而待設計的四旋翼飛行器實質上是屬於直升機的範疇，需要由動力系統提供四個旋翼的旋轉動力，同時旋翼旋轉產生的扭矩需要進行抵消，因此本著結構簡單控制方便，選擇類似雙旋翼縱列式加橫列式的直升機模型，兩個旋翼旋轉方向與另外兩個旋翼旋轉方向必須相反以抵消陀螺效應和空機動力扭矩。

　　1.結構形式

　　旋翼對稱分布在機體的前後、左右四個方向，四個旋翼處於同一高度平面，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。

　　2.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於飛行器的自重時，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。由於旋翼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：旋翼轉動過程中由於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對機身的反扭矩大於旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在富餘反扭矩的作用下繞 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）前後運動：要想實現飛行器在水平面內前後、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。向後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，由於結構對稱，所以傾向飛行的工作原理與前後運動完全一樣。

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