多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理 - 全文

　　翼型的升力：

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

　　根據(jù)流體力學(xué)的基本原理，流動慢的大氣壓強(qiáng)較大，而流動快的大氣壓強(qiáng)較小。由于機(jī)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(jī)翼上表面的氣流就類似于較窄地方的流水，流速較快，而流過機(jī)翼下表面的氣流正好相反，類似于較寬地方的流水，流速較上表面的氣流慢。大氣施加與機(jī)翼下表面的壓力（方向向上）比施加于機(jī)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(chǎn)生的］。

　　所以對于通常所說的飛機(jī)，都是需要助跑，當(dāng)飛機(jī)的速度達(dá)到一定大小時，飛機(jī)兩翼所產(chǎn)生的升力才能抵消重力，從而實(shí)現(xiàn)飛行。

　　旋翼的升力飛機(jī)，直升機(jī)和旋翼機(jī)三種起飛原理是不同的。飛機(jī)依靠助跑來提供速度以達(dá)到足夠的升力，而直升機(jī)依靠旋翼的控制旋轉(zhuǎn)在不進(jìn)行助跑的條件下實(shí)現(xiàn)垂直升降，直升機(jī)的旋轉(zhuǎn)是動力系統(tǒng)提供的，而旋翼旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生向上的升力和空氣給旋翼的反作用力矩，在設(shè)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(zhuǎn)方向相反以抵消反作用扭矩）等;而旋翼機(jī)則介于飛機(jī)和直升機(jī)之間，旋翼機(jī)的旋翼不與動力系統(tǒng)相連，由飛行過程中的前方氣流吹動旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力（像大風(fēng)車一樣），即旋翼為自轉(zhuǎn)式，傳遞到機(jī)身上的扭矩很小，無需專門抵消。

　　而待設(shè)計的四旋翼飛行器實(shí)質(zhì)上是屬于直升機(jī)的范疇，需要由動力系統(tǒng)提供四個旋翼的旋轉(zhuǎn)動力，同時旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩需要進(jìn)行抵消，因此本著結(jié)構(gòu)簡單控制方便，選擇類似雙旋翼縱列式加橫列式的直升機(jī)模型，兩個旋翼旋轉(zhuǎn)方向與另外兩個旋翼旋轉(zhuǎn)方向必須相反以抵消陀螺效應(yīng)和空機(jī)動力扭矩。

　　1.結(jié)構(gòu)形式

　　旋翼對稱分布在機(jī)體的前后、左右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，四個電機(jī)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(jī)和外部設(shè)備。結(jié)構(gòu)形式如圖 1.1所示。

　　2.工作原理

　　四旋翼飛行器通過調(diào)節(jié)四個電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機(jī)，但只有四個輸入力，同時卻有六個狀態(tài)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)。

　　四旋翼飛行器的電機(jī) 1和電機(jī) 3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機(jī) 2和電機(jī) 4順時針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時，陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消。

　　在上圖中，電機(jī) 1和電機(jī) 3作逆時針旋轉(zhuǎn)，電機(jī) 2和電機(jī) 4作順時針旋轉(zhuǎn)，規(guī)定沿 x軸正方向運(yùn)動稱為向前運(yùn)動，箭頭在旋翼的運(yùn)動平面上方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，在下方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。

　?。?）垂直運(yùn)動：同時增加四個電機(jī)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(jī)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(jī)的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實(shí)現(xiàn)了沿 z軸的垂直運(yùn)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)。

　　（2）俯仰運(yùn)動：在圖（b）中，電機(jī) 1的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速下降（改變量大小應(yīng)相等），電機(jī) 2、電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速保持不變。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(jī)身繞 y 軸旋轉(zhuǎn)，同理，當(dāng)電機(jī) 1 的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī) 3的轉(zhuǎn)速上升，機(jī)身便繞y軸向另一個方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動。

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

　?。?）偏航運(yùn)動：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(jī)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(jī)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(jī) 1和電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī) 2 和電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速下降時，旋翼 1和旋翼3對機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞 z軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動，轉(zhuǎn)向與電機(jī) 1、電機(jī)3的轉(zhuǎn)向相反。

　　（5）前后運(yùn)動：要想實(shí)現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運(yùn)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(jī) 3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機(jī) 1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時保持其它兩個電機(jī)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(shí)現(xiàn)飛行器的前飛運(yùn)動。向后飛行與向前飛行正好相反。（在圖 b 圖 c中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運(yùn)動的同時也會產(chǎn)生沿 x、y軸的水平運(yùn)動。）

　?。?）傾向運(yùn)動：在圖 f 中，由于結(jié)構(gòu)對稱，所以傾向飛行的工作原理與前后運(yùn)動完全一樣。

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