四旋翼飛行器

四旋翼飛行器簡介

　　四旋翼飛行器也稱為四旋翼直升機(jī)，是一種有4個螺旋槳且螺旋槳呈十字形交叉的飛行器，可以搭配微型相機(jī)錄制空中視頻。在大學(xué)里，一些對四旋翼直升機(jī)感興趣的大學(xué)生將數(shù)學(xué)算法運用到機(jī)器當(dāng)中，創(chuàng)造出了極富智能的四旋翼直升機(jī)，TED講壇中有所詮釋。

　　結(jié)構(gòu)框架

　　四旋翼飛行器采用四個旋翼作為飛行的直接動力源，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，旋翼1 和旋翼3 逆時針旋轉(zhuǎn)，旋翼2 和旋翼4 順時針旋轉(zhuǎn)，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。

四旋翼飛行器百科

　　四旋翼飛行器也稱為四旋翼直升機(jī)，是一種有4個螺旋槳且螺旋槳呈十字形交叉的飛行器，可以搭配微型相機(jī)錄制空中視頻。在大學(xué)里，一些對四旋翼直升機(jī)感興趣的大學(xué)生將數(shù)學(xué)算法運用到機(jī)器當(dāng)中，創(chuàng)造出了極富智能的四旋翼直升機(jī)，TED講壇中有所詮釋。

　　結(jié)構(gòu)框架

　　四旋翼飛行器采用四個旋翼作為飛行的直接動力源，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，旋翼1 和旋翼3 逆時針旋轉(zhuǎn)，旋翼2 和旋翼4 順時針旋轉(zhuǎn)，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。

　　典型的傳統(tǒng)直升機(jī)配備有一個主轉(zhuǎn)子和一個尾漿。他們是通過控制舵機(jī)來改變螺旋槳的槳距角，從而控制直升機(jī)的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器與此不同，是通過調(diào)節(jié)四個電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。由于飛行器是通過改變旋翼轉(zhuǎn)速實現(xiàn)升力變化，這樣會導(dǎo)致其動力不穩(wěn)定，所以需要一種能夠長期確保穩(wěn)定的控制方法。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直起降機(jī)，因此非常適合靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下飛行。但是四旋翼飛行器只有四個輸入力，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)。

　　四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，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。與傳統(tǒng)的直升機(jī)相比，四旋翼飛行器有下列優(yōu)勢：各個旋翼對機(jī)身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉(zhuǎn)方向相反，因此當(dāng)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)，可以平衡旋翼對機(jī)身的反扭矩。

　　內(nèi)部設(shè)計

　　控制航行姿態(tài)的依據(jù)就是航姿傳感器輸出的信號。航姿傳感器至少包括傾角傳感器和角速度傳感器。而傾角傳感器可以利用三軸加速度傳感器間接實現(xiàn)。既然是加速度傳感器，那么它輸出的信號表征的是當(dāng)前三個軸向的加速度值，如果飛行器在空間中保持靜止，那么加速度值通過簡單的換算就可以得到真實的傾角參數(shù)。

　　但是飛行器在空間中是不可能時刻保持靜止不動的，譬如在側(cè)風(fēng)的影響下，飛行器可能會向某一個方向偏離，那么此時即使飛行器確實保持水平，但三軸加速度傳感器的輸出仍會偏離中心值，造成控制核心的誤判。

　　為避免這種情況的出現(xiàn)，則需要引入三軸角速度傳感器和超聲測距儀，利用三個軸向上的角速度和Z軸方向上的加速度以及實時高度的變化率對X、Y軸方向上的加速度進(jìn)行校正，從而得出真實的傾角信息。傳感器的輸出信號經(jīng)過模擬放大和模擬濾波之后送入AD變換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入MCU（Microprocessor Control Unit ），由MCU進(jìn)行包括但不僅限于kalman濾波等的數(shù)字信號處理，再依據(jù)MCU中的整套航姿控制算法得出控制量，送入專司電機(jī)控制的MCU中對電機(jī)進(jìn)行實時控制，同時要避免各傳感器間結(jié)果的沖突乃至矛盾。

　　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軸正方向運動稱為向前運動，箭頭在旋翼的運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，實現(xiàn)了沿 z軸的垂直運動。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)。

　?。?）俯仰運動：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)，實現(xiàn)飛行器的俯仰運動。

　?。?）滾轉(zhuǎn)運動：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），實現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運動。

　?。?）偏航運動：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，實現(xiàn)飛行器的偏航運動，轉(zhuǎn)向與電機(jī) 1、電機(jī)3的轉(zhuǎn)向相反。

　?。?）前后運動：要想實現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運動，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，因此可以實現(xiàn)飛行器的前飛運動。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、翻滾運動的同時也會產(chǎn)生沿 x、y軸的水平運動。）

　?。?）傾向運動：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動完全一樣。