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多旋翼型飞行器原理

 

1.什么(me)是多旋翼

多旋翼飞行器是一类通过多个(gè)定(dìng)距桨(螺旋桨)正反旋转与(yǔ)转速(sù)控制提供(gòng)飞(fēi)行(háng)器升(shēng)力与飞行器姿态调整。这样的定义(yì)方式使我们(men)准(zhǔn)确了(le)解(jiě)多旋翼飞行器的旋翼结构、升力来(lái)源、姿态(tài)控制方式。

2.多旋翼飞行器一般结(jié)构

任何飞行(háng)器都(dōu)可以分为三个部分:控制器,执行器(qì),反馈(kuì)环节。控制器包括飞控,接收(shōu)机;执(zhí)行器包括电调,直流电机,定距正反桨;反馈环节(jiē)就(jiù)是传感(gǎn)系统,一般包括两(liǎng)大类(lèi):飞行器姿态传感系统(tǒng),外部环境感知系统(tǒng)。

3.多旋翼飞(fēi)行器控制原(yuán)理

四旋翼飞行(háng)器正反桨两两(liǎng)成对,分别(bié)向不同方向旋转(zhuǎn),平衡扭矩并(bìng)向旋翼(yì)“下方”推送气(qì)流。通(tōng)过成对变化定距(jù)桨旋转速(sù)度,调整入(rù)流量(liàng)来实现飞行器姿态控制。

一般而(ér)言,四旋翼飞行(háng)器(qì)有两种飞(fēi)行模式,上(shàng)面介绍的(de)是X型控制(zhì)结构,也是当(dāng)下使用较多的控制方式。除此之外(wài)还(hái)有十字型,两者原理大同,细节小异。

至于八(bā)旋翼,十六旋翼甚(shèn)至更多,都是通过成对正反桨平衡扭矩,提(tí)供升力,调整姿态。

4.多旋翼飞行器(qì)特点(diǎn)

多旋翼机(jī)型(xíng)确实降低了商品无人机的门槛。然而在很(hěn)多(duō)飞行(háng)器设计师的眼中多旋翼飞行器是一个非常“奇怪”的存在,它的缺(quē)点实在非常多,却因(yīn)同(tóng)样(yàng)具有非常鲜明的优点而成为当下无人(rén)机市(shì)场的宠儿。

优点

从飞行器(qì)操(cāo)作者的角度来(lái)看,多旋翼是完美(简单(dān))的被控对象(虽(suī)然它还是(shì)非(fēi)线性,非最小相位(wèi)系(xì)统)。

多旋翼(yì)飞行器(qì)可以(yǐ)很容易(yì)产生统一方向的气流(liú)推送,因(yīn)此具备优秀的VOTL能力与定点悬停(tíng)能力,而这是一般固(gù)定(dìng)翼飞机望尘莫及的。

同时(shí)对称(chēng)的旋翼(yì)布(bù)局使(shǐ)得其操控(kòng)简单直接,姿(zī)态调整时只需成对改变旋翼转速,就可(kě)提供非常(cháng)“直接”的姿态力(lì)矩。而其它旋翼机则(zé)一般会(huì)有一个(gè)复杂的动力学(xué)过渡过程(chéng)(这样描述其实很不专业(yè),却比较容易理解),增加了炸鸡以及飞行器周围人员的风险,对操作(zuò)者(zhě)的控制要求(qiú)提升了很多(duō)。

而且多旋翼飞行器(qì)的姿态变化(huà)方式使得(dé)该机型直接采用定距桨,相比(bǐ)于(yú)直升机的变距桨在机械设计结构(gòu),控制难(nán)度,实现成本,姿(zī)态(tài)平稳方面都有很大提(tí)升。

一句(jù)话:多旋翼(yì)飞行器使得(dé)飞行(háng)变得(dé)简单

缺点

从(cóng)飞行器设计者的角度(dù)来看多旋翼飞行器(qì)却是(shì)—“无比丑陋”的。

首先,其气动效率非常糟糕。固定翼是上帝为飞(fēi)行生物设计的完美的飞行器(qì)结构(gòu)。固(gù)定翼在(zài)空中可(kě)以借助气流(liú)产生升力,姿态变(biàn)换通(tōng)过(guò)“借力”实现(还是要(yào)有执(zhí)行器控(kòng)制相应的机械结(jié)构,但(dàn)省“力”很多),螺旋桨或者喷气(qì)发动机只提供额外飞行速度。而多旋翼需(xū)要安装与(yǔ)旋翼数相同的电机(jī)来提(tí)供升力,在飞行(háng)过程(chéng)中完全没有办法借助(zhù)空(kōng)气动力。姿态变(biàn)化(huà),飞(fēi)行速度(dù)全部来自于(yú)机载动(dòng)力,自身能量消耗巨大,效率之低令人(rén)发指(zhǐ)。

这也是为(wéi)什么在讨论翼(yì)型时基本都是关于固定翼和直升机的,多旋翼的定距桨(jiǎng)也就是谈一谈(tán)扭矩,旋(xuán)翼尺寸和电机选择(zé)方面(miàn)的(de)匹(pǐ)配(pèi)罢了。

其次,在机动性方(fāng)面,直(zhí)升机型飞行器机(jī)动速(sù)度与飞行包(bāo)络都明显优于多旋翼飞行(háng)器,如果(guǒ)在(zài)机动过程(chéng)中充分(fèn)考虑直升机机(jī)身(shēn)与主旋(xuán)翼之间的作用力耦合,并在控制(zhì)算法(fǎ)中(zhōng)巧妙地加以利(lì)用则可以增(zēng)强直(zhí)升机的机动性,降低能耗。但对于多旋翼(yì)而言,机动过(guò)程(chéng)既不美观也不经济。

最后(hòu),当多旋翼(yì)飞行器“大型化”也就是Scale number(尺寸系(xì)数)上升后(hòu),意(yì)味着需(xū)要提供更大(dà)的升力从(cóng)而(ér)要求更大尺寸的(de)定距桨,这不但(dàn)面临着更大(dà)动力模块的难题,同时众多大尺(chǐ)寸旋翼在(zài)一个平面中旋转会使实(shí)际控制变更(gèng)加困难。

一句话(huà):多旋翼飞行器使得飞(fēi)行变得(dé)没品质。

任何一种(zhǒng)飞行器结构都必然存在自己优缺点,换句话说,留给爱好者(zhě)和(hé)设计者的(de)空(kōng)间(jiān)是很(hěn)大的,无人机在飞行器控(kòng)制方式和结构设计中蕴藏(cáng)着巨大的创(chuàng)新(xīn)潜力。相(xiàng)信以后可以看到越来(lái)越(yuè)多奇(qí)妙、美丽、高(gāo)效的飞行器设计结构。

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