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四旋翼无人机原理和结构 四旋翼无人机的优缺点

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四旋翼飞行器也称为四旋翼直升机,是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器,可以搭配微型相机录制空中视频。四旋翼无人机原理是什么?四旋翼无人机结构是怎么样的?四旋翼无人机的优缺点又是什么?下面一起来看详细介绍。

四旋翼无人机原理和结构

四旋翼无人机原理和结构 四旋翼无人机的优缺点

1、结构形式

旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向,四个旋翼处于同一高度平面,且四个旋翼的结构和半径都相同,四个电机对称的安装在飞行器的支架端,支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。结构形式如图 1.1所示。

2、工作原理

四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速,实现升力的变化,从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机,但只有四个输入力,同时却有六个状态输出,所以它又是一种欠驱动系统。

四旋翼飞行器的电机 1和电机 3逆时针旋转的同时,电机 2和电机 4顺时针旋转,因此当飞行器平衡飞行时,陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。

在上图中,电机 1和电机 3作逆时针旋转,电机 2和电机 4作顺时针旋转,规定沿 x轴正方向运动称为向前运动,箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高,在下方表示此电机转速下降。

(1)垂直运动:同时增加四个电机的输出功率,旋翼转速增加使得总的拉力增大,当总拉力足以克服整机的重量时,四旋翼飞行器便离地垂直上升;反之,同时减小四个电机的输出功率,四旋翼飞行器则垂直下降,直至平衡落地,实现了沿 z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时,在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时,飞行器便保持悬停状态。

(2)俯仰运动:在图(b)中,电机 1的转速上升,电机 3 的转速下降(改变量大小应相等),电机 2、电机 4 的转速保持不变。由于旋翼1 的升力上升,旋翼 3 的升力下降,产生的不平衡力矩使机身绕 y 轴旋转,同理,当电机 1 的转速下降,电机 3的转速上升,机身便绕y轴向另一个方向旋转,实现飞行器的俯仰运动。

(3)滚转运动:与图 b 的原理相同,在图 c 中,改变电机 2和电机 4的转速,保持电机1和电机 3的转速不变,则可使机身绕 x 轴旋转(正向和反向),实现飞行器的滚转运动。

(4)偏航运动:旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩,为了克服反扭矩影响,可使四个旋翼中的两个正转,两个反转,且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关,当四个电机转速相同时,四个旋翼产生的反扭矩相互平衡,四旋翼飞行器不发生转动;当四个电机转速不完全相同时,不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图 d中,当电机 1和电机 3 的转速上升,电机 2 和电机 4 的转速下降时,旋翼 1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩,机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴转动,实现飞行器的偏航运动,转向与电机 1、电机3的转向相反。

(5)前后运动:要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动,必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图 e中,增加电机 3转速,使拉力增大,相应减小电机 1转速,使拉力减小,同时保持其它两个电机转速不变,反扭矩仍然要保持平衡。按图 b的理论,飞行器首先发生一定程度的倾斜,从而使旋翼拉力产生水平分量,因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。(在图 b 图 c中,飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿 x、y轴的水平运动。)

(6)倾向运动:在图 f 中,由于结构对称,所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

四旋翼无人机的优缺点

四旋翼无人机的优点

常见飞行器通常被分为固定翼、直升机和多旋翼(四旋翼最为主流)。

1、缘何青睐多旋翼

首先,我们以目前电动的固定翼、直升机和多旋翼为例比较它们的用户体验:

在操控性方面,多旋翼的操控是最简单的。

它不需要跑道便可以垂直起降,起飞后可在空中悬停。它的操控原理简单,操控器四个遥感操作对应飞行器的前后、左右、上下和偏航方向的运动。在自动驾驶仪方面,多旋翼自驾仪控制方法简单,控制器参数调节也很简单。相对而言,学习固定翼和直升机的飞行不是简单的事情。固定翼飞行场地要求开阔,而直升机飞行过程中会产生通道间耦合,自驾仪控制器设计困难,控制器调节也很困难。

在可靠性方面,多旋翼也是表现最出色的。

若仅考虑机械的可靠性,多旋翼没有活动部件,它的可靠性基本上取决于无刷电机的可靠性,因此可靠性较高。相比较而言,固定翼和直升机有活动的机械连接部件,飞行过程中会产生磨损,导致可靠性下降。而且多旋翼能够悬停,飞行范围受控,相对固定翼更安全。

在勤务性方面,多旋翼的勤务性是最高的。

因其结构简单,若电机、电子调速器、电池、桨和机架损坏,很容易替换。而固定翼和直升机零件比较多,安装也需要技巧,相对比较麻烦。

在续航性能方面,多旋翼的表现明显弱于其他两款,其能量转换效率低下。

在承载性能方面,多旋翼也是三者中最差的。

对于这三种机型,操控性与飞机结构和飞行原理相关,是很难改变的。在可靠性和勤务性方面,多旋翼始终具备优势。随着电池能量密度的不断提升、材料的轻型化和机载设备的不断小型化,多旋翼的优势将进一步凸显。因此,在大众市场,“刚性”体验最终让人们选择了多旋翼。

然而,多旋翼也有自身的发展瓶颈。

多旋翼也有自身的发展瓶颈

它的运动和简单结构都依赖于螺旋桨及时的速度改变,以调整力和力矩,该方式不宜推广到更大尺寸的多旋翼。

第一、桨叶尺寸越大,越难迅速改变其速度。

正是因为如此,直升机主要是靠改变桨距而不是速度来改变升力。

第二、在大载重下,桨的刚性需要进一步提高。

螺旋桨的上下振动会导致刚性大的桨很容易折断,这与我们平时来回折铁丝便可将铁丝折断同理。因此,桨叶的柔性是很重要的,它可以减少桨叶来回旋转对桨叶根部的影响。正因为如此,为了减少桨叶的疲劳,直升机采用了一个容许桨叶在旋转过程中上下运动的铰链。如果要提供大载重,多旋翼也需要增加活动部件或加入涵道和整流片。这相当于一个多旋翼含有多个直升机结构。这样多旋翼的可靠性和维护性就会急剧下降,优势也就不那么明显了。当然,另一种增加多旋翼载重能力的可行方案便是增加桨叶数量,增至18个或32个桨。但该方式会极大地降低可靠性、维护性和续航性。种种原因使人们最终选择了微小型多旋翼。

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四旋翼无人机原理和结构 四旋翼无人机的优缺点认证作者,无人机行业知名站长,知乎无人机专栏创作者。
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