四旋翼無人機曾被《時代》雜志評為2014年度十大科技產(chǎn)品之一,具有造型小巧,可自由懸停、垂直起降,機身易操控以及適用于多種環(huán)境等優(yōu)點,被廣泛運用于日常生活中。
在人工智能教育高速發(fā)展的環(huán)境下,可編程的四旋翼無人機更是受到許多中小學生的追捧。下面,我們一起來了解一下四旋翼無人機是如何實現(xiàn)飛行的吧!
四旋翼無人機飛行原理及控制方法
一般情況下,四旋翼無人機由檢測模塊、控制模塊、驅(qū)動模塊以及電源模塊四個部分組成。
檢測模塊:負責對無人機當前姿態(tài)進行量測,并對控制模塊提供數(shù)據(jù);
控制模塊:負責對無人機當前姿態(tài)進行解算,優(yōu)化控制,并對驅(qū)動模塊產(chǎn)生相對應的控制量;
驅(qū)動模塊:負責驅(qū)動無人機進行飛行;
四旋翼無人機機身主要是由對稱的十字形剛體結(jié)構(gòu)構(gòu)成,材料多采用碳纖維、玻璃纖維以及樹脂等復合材料。而Drone:bit編程無人機機身則是采用了金屬材料,具有結(jié)實耐用的特點。
Drone:bit如下圖所示,現(xiàn)將位于四旋翼機身同一對角線上的兩個旋翼歸為一組。
前后端(4、2號)的旋翼沿順時針方向旋轉(zhuǎn),從而可以產(chǎn)生順時針方向的扭矩;而左右端(1、3號)的旋翼則沿逆時針方向旋轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生逆時針方向的扭矩。
如此,四個旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的扭矩便可相互抵消。
由此可知,四旋翼無人機的所有姿態(tài)和位置的控制都是通過調(diào)節(jié)四個驅(qū)動電機的速度實現(xiàn)的。
一般來說,四旋翼無人機的運動狀態(tài)主要分為懸停、垂直運動、翻滾運動、俯仰運動以及偏航運動五種狀態(tài)。
懸停
在懸停狀態(tài)下,由于無人機的四個旋翼具有相同的轉(zhuǎn)速,產(chǎn)生的上升合力正好與自身重力相等;并且因為旋翼轉(zhuǎn)速大小相同、前后端和左右端轉(zhuǎn)速方向相反,從而使得無人機總扭矩為零,得以靜止在空中,實現(xiàn)懸停狀態(tài)。
- 旋翼總升力=無人機重力,懸停
垂直運動
在保證四旋翼無人機每個旋翼轉(zhuǎn)速大小相同、前后端和左右端轉(zhuǎn)速方向相反的情況下,同時對每個旋翼增加/減小大小相同的轉(zhuǎn)速,便可實現(xiàn)無人機的垂直運動。
- 旋翼總升力>無人機重力,垂直上升;
- 旋翼總升力<無人機重力,垂直下降。
翻滾運動
翻滾運動是在保持四旋翼無人機前后端旋翼轉(zhuǎn)速不變的情況下,通過改變左右端的旋翼轉(zhuǎn)速,使得左右旋翼之間形成一定的升力差,從而使得沿無人機機體左右對稱軸上產(chǎn)生一定力矩,導致在方向上產(chǎn)生角加速度實現(xiàn)控制。
如圖所示,增加旋翼1的轉(zhuǎn)速,減小旋翼3的轉(zhuǎn)速,則無人機傾斜于右側(cè)飛行;反之,則向左傾斜。
俯仰運動
與翻滾運動相似,在保持四旋翼無人機左右端旋翼轉(zhuǎn)速不變的情況下,通過改變前后端的旋翼轉(zhuǎn)速,形成前后旋翼升力差,從而在機體前后對稱軸上形成一定力矩,引起角方向上的角加速度實現(xiàn)控制。
如圖所示,增加旋翼2的轉(zhuǎn)速,減小旋翼4的轉(zhuǎn)速,則無人機向前傾斜飛行;反之,則向后傾斜。
偏航運動
四旋翼無人機的偏航運動是通過同時兩兩控制四個旋翼轉(zhuǎn)速實現(xiàn)控制的。
保持前后端或左右端旋翼轉(zhuǎn)速相同時,其便不會發(fā)生俯仰或翻滾運動;而當每組內(nèi)的兩個旋翼與另一組旋翼轉(zhuǎn)速不同時,由于兩組旋翼旋轉(zhuǎn)方向不同,就會導致反扭矩力的不平衡,此時便會產(chǎn)生繞機身中心軸的反作用力,引起沿角角加速度。
如圖所示,當前后端旋翼的轉(zhuǎn)速相同并大于左右端旋翼轉(zhuǎn)速時,因為前者沿順時針方向旋轉(zhuǎn),后者相反,總的反扭矩沿逆時針方向,反作用力作用在機身中心軸上沿逆時針方向,引起逆時針偏航運動;反之,則會引起順時針偏航運動。
綜上所述,四旋翼無人機各個飛行狀態(tài)的控制是通過控制對稱的四個旋翼的轉(zhuǎn)速,形成相應不同的運動組合實現(xiàn)的。
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