《四旋翼無人機的結(jié)構(gòu)與飛行原理分析》2400字

四旋翼無人機的結(jié)構(gòu)與飛行原理分析綜述四旋翼無人機的結(jié)構(gòu)大致由機身、飛行控制器、四個旋翼以及四個電機組裝而，無人機的機身的前后左右四個方向上都是對稱分布。以“+”型無人機為例，旋翼均勻的分布在機身“+”的四個點上，且四個旋翼與電機的大小規(guī)格都完全相同。機身作為整個無人機的支架，支撐著整個無人機，機身的中間安裝飛行控制器等電子設(shè)備。并通過機身將電機與飛行控制器直接連接成其基本結(jié)構(gòu)圖的形式大致可以如下圖3-1所示。圖3-1四旋翼無人機的結(jié)構(gòu)旋翼的安裝方式有兩種，一種是“+”形，一種是“x”型我們選擇“+”型無人機REF_Ref72086797\r\h[17]?！?”型無人機的旋翼處在同一水平面上，在飛行過程中由于旋翼旋轉(zhuǎn)，無人機的機身會產(chǎn)生一個反扭距，為了抵消這種反扭距我們讓四個結(jié)構(gòu)、大小、規(guī)格完全相同的四個旋翼處在同一水平面上，并且每個旋翼到無人機幾何中心的距離都相同。在飛行過程中為了完全抵消這種反扭距，可以使在同一條直線上的旋翼轉(zhuǎn)速方向完全相同，而與之相鄰的旋翼轉(zhuǎn)速相同但是旋翼的轉(zhuǎn)動方向與之相反。四旋翼無人機可輸入的變量只能是4個，四個旋翼的旋轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)速就是通過對四個電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)實現(xiàn)的，這樣無人機才能進行所需要的運動，通過改變無人機所受到的升力就可以實現(xiàn)對四旋翼無人機的運動姿態(tài)和飛行位置上的控制，由于只有四個輸入量但卻實現(xiàn)了對六個狀態(tài)量的輸出，所以它又被廣泛稱為一種欠驅(qū)動的升降系統(tǒng)。（1）四旋翼無人機的垂直運動：增加旋翼轉(zhuǎn)速可以使得無人機垂直于z軸方向向上運動，此時四個驅(qū)動電機的輸出功率也會隨之增加，整體升力變大，當旋翼所產(chǎn)生的升力足夠克服整機的載荷重量時，四個旋翼驅(qū)動無人機就會距離地面進行一個垂直運動；可以通過下調(diào)四個電機的轉(zhuǎn)速來使之垂直z軸往下運動，此時旋翼的升力會隨著轉(zhuǎn)速的降低而變小，這樣無人機就會向下垂直運動。四個旋翼在不存在外部擾動量的情況下有著與其自重相等升力，就實現(xiàn)了無人機的在空中的一個懸停的運動。如圖3-2所示。圖3-2四旋翼無人機的垂直運動四旋翼無人機俯仰方向移動：旋翼3的平均轉(zhuǎn)速會在旋翼1的轉(zhuǎn)速緩慢增加的過程中不斷減?。ǘ叩脑黾雍蜏p小幅度應(yīng)該相等），如圖3-3所示。旋翼2、旋翼4的平均轉(zhuǎn)速不能與原來的轉(zhuǎn)速存在差距，與旋翼1相對應(yīng)的旋翼會因為1旋翼轉(zhuǎn)速的變大而變大，對應(yīng)旋翼的升力會因為旋翼3轉(zhuǎn)速的減小而變小，這樣產(chǎn)生的不均勻的力矩相互作用于y軸導致了力的不平衡使得無人機朝著y軸旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)地，旋翼產(chǎn)生的力會隨著旋翼1轉(zhuǎn)速的變小而變小，旋翼3的轉(zhuǎn)速提高導致旋翼升力大小更大，也同樣會產(chǎn)生一個作用在y軸上的力矩，由于這個力矩的作用機身就必然會沿著y軸的另外一個角度方向運動旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了四旋翼無人機的機身俯仰式運動。圖3-3四旋翼無人機俯仰方向移動四旋翼無人機滾轉(zhuǎn)方向運動：與飛圖3-3的四旋翼無人機的滾轉(zhuǎn)原理相同，在圖3-4中，當改變了旋翼2以及旋翼4的運動轉(zhuǎn)速時會導致旋翼2和旋翼4所產(chǎn)生的旋翼升力的大小發(fā)生變化，同時保持旋翼1和旋翼3的運動轉(zhuǎn)速基本保持恒定不變，即保持旋翼1和旋翼3所產(chǎn)生的力不變，使得x軸受到的力達到一定的平衡狀態(tài)兒y軸方向上的力產(chǎn)生了可以使無人機偏轉(zhuǎn)的扭矩。則這樣就已經(jīng)可以直接使得整個機身可以圍繞方向x軸進行旋轉(zhuǎn)(正向和逆方)，這樣就實現(xiàn)了整個無人機的的滾轉(zhuǎn)方向運動。圖3-4四旋翼無人機滾轉(zhuǎn)方向運動四旋翼無人機的偏航方向運動：由于在飛行中會受到空氣阻力的影響，在高速飛行期間，四旋翼無人機由于空氣阻力的存在而產(chǎn)生一個反扭矩，其有著與旋翼完全相反的轉(zhuǎn)動反向，這個反扭矩的出現(xiàn)會對無人機的平穩(wěn)性造成影響。令四旋翼無人機的四個旋翼其中兩個正向旋轉(zhuǎn)，使另外兩個逆向旋轉(zhuǎn)，并且無人機的在同一條對角線上的旋翼所旋轉(zhuǎn)的方向要相同于是這樣就可以使旋翼能夠有效克服這個反扭矩的嚴重影響。反扭矩的大小與四個旋翼的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，令無人機的四個旋翼的轉(zhuǎn)速完全相等這樣就可以使四個旋翼正反槳所產(chǎn)生的力和力矩就會相等，四個不同旋翼之間轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的逆扭矩相互達到一個平衡狀態(tài)，四旋翼無人機就不會發(fā)生角度的偏轉(zhuǎn)。當四個旋翼的旋翼轉(zhuǎn)速沒有完全達到一個完全轉(zhuǎn)速相等的狀態(tài)時，由于旋翼轉(zhuǎn)速的不同于是產(chǎn)生的力就會不相同，就會導致產(chǎn)生不平衡的逆扭矩就可能會直接導致四旋翼無人機發(fā)生轉(zhuǎn)動。在圖3-5中，當對于旋翼1和以及旋翼3的電機轉(zhuǎn)速開始持續(xù)上升使得旋翼1和旋翼3所產(chǎn)生的力逐漸增大。與此同時，旋翼2和旋翼4的轉(zhuǎn)速開始下降，導致旋翼2和旋翼4產(chǎn)生的力逐漸下降，旋翼1、3和旋翼2、4所產(chǎn)生的的力與力矩相互作用在一起，由于旋翼2、4產(chǎn)生的反扭矩明顯小于旋翼1、3的反扭矩，無人機在這種反扭矩不對等的情況開始圍繞Z軸轉(zhuǎn)動，整個四旋翼無人機就是通過這種方式偏航的。圖3-5四旋翼無人機的偏航方向運動（5）四旋翼無人機前后方向的運動：這種運動實質(zhì)上是無人機的橫滾運動和俯仰運動的綜合體現(xiàn)，當無人機在水平面時，通過將一定量的力施加到無人機水平面上即可使之向前或向后運動。當旋翼3的轉(zhuǎn)速變大時，旋翼的拉力也有所上升，此時旋翼1所產(chǎn)生的拉力會因為其轉(zhuǎn)速的變低而減小，此時只要不改變其他兩個電機的轉(zhuǎn)速，使得旋翼所產(chǎn)生的反扭距達到平衡狀態(tài)，如圖3-6所示，按照圖3-3所示的理論，由于旋翼1與旋翼3的轉(zhuǎn)速不同導致無人機的拉力在水平方向上產(chǎn)生了一個分力，這個分力使得無人機的旋翼發(fā)生了一定角度的傾斜，從而在空間上實現(xiàn)了無人機的前進運動，而往后的飛行方式和往前的飛行方式則是恰恰相反。圖3-6四旋翼無人機前后方向的運動（6）四旋翼無人機的傾向飛行運動：從構(gòu)造上看，無人機的本身是純粹對稱的，故而其側(cè)向和前后運動有著一樣的原理，但是如果要控制其進行側(cè)向運動，那么無人機的旋翼1與旋翼3的旋轉(zhuǎn)速度大小和方向完全相同而旋翼2與旋翼4的旋翼旋轉(zhuǎn)方向雖然相同，可旋翼旋轉(zhuǎn)的速度卻完全不同。如圖3-7所示。由于四旋翼無人機