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四轴飞行器的姿态控制和飞行原理 发布时间:2020-01-08   浏览量:2329次

四轴飞行器是近年来十分受青少年欢迎的一种飞行器,也是航模的一个重要组成部分。下面就一起来了解一下它的飞行原理吧。


为了能够让四轴飞行器保持飞行,需要加上计算机的帮助。简单来说,需要在四轴飞行器上装一台计算机,这台计算机能够“感觉”到飞行器目前的姿态。

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 比如说,飞行器现在往左发生了倾斜,计算机“感受”到之后,立即向四个螺旋桨发出控制信号,使左侧的螺旋桨加大转速,右侧的螺旋桨减少转速,重新使飞行器回到平衡的姿态。这个过程必须非常快,通常在几十毫秒内完成。因为一旦飞行器发生了倾斜,螺旋桨向下的推力变为侧下方的推力,就像把一个球放到斜坡上,便会离开自己的位置。


为了不使人感觉到四轴飞行器的移动,需要尽可能快地把所有姿态纠正的动作完成,这时飞行器就会不停地抖动。


垂直运动

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图(a)中,因有两对电机转向相反,可以平衡其对机身的反扭矩,当同时增加四个电机的输出功率,旋翼转速增加使得总的拉力增大,当总拉力足以克服整机的重量时,四旋翼飞行器便离地垂直上升;反之,四旋翼飞行器则垂直下降,直至平衡落地,实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时,在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时,飞行器便保持悬停状态。


俯仰运动

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图(b)中,电机1的转速上升,电机3的转速下降,电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变,旋翼1与旋翼3转速改变量的大小应相等。


由于旋翼1的升力上升,旋翼3的升力下降,产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转(方向如图所示),同理,当电机1的转速下降,电机3的转速上升,机身便绕y轴向另一个方向旋转,实现飞行器的俯仰运动。


滚转运动

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与图(b)的原理相同,在图(c)中,改变电机2和电机4的转速,保持电机1和电机3的转速不变,则可使机身绕x轴旋转(正向和反向),实现飞行器的滚转运动。


偏航运动

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四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩,为了克服反扭矩影响,可使四个旋翼中的两个正转,两个反转,且对角线上的各个旋翼转动方向相同。


反扭矩的大小与旋翼转速有关,当四个电机转速相同时,四个旋翼产生的反扭矩相互平衡,四旋翼飞行器不发生转动;当四个电机转速不完全相同时,不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。


在图(d)中,当电机1和电机3的转速上升,电机2和电机4的转速下降时,旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩,机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动,实现飞行器的偏航运动,转向与电机1、电机3的转向相反。因为电机的总升力不变,飞机不会发会垂直运动。


前后运动

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要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动,必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图(e)中,增加电机3转速,使拉力增大,相应减小电机1转速,使拉力减小,同时保持其它两个电机转速不变,反扭矩仍然要保持平衡。按图(b)的理论,飞行器首先发生一定程度的倾斜,从而使旋翼拉力产生水平分量,因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。当然在图(b)图(c)中,飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。


侧向运动

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在图(f)中,由于结构对称,所以侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样。


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