四 軸 飛 行 器    飛 行 運 動 說 明

 

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四旋翼飛行器的結構形式和工作原理


1.結構形式


直升機在巧妙使用總距控制和週期變距控制之前,四旋翼結構被認為是一種最簡單和最直觀的穩定控制形式。

但由於這種形式必須同時協調控制四個旋翼的狀態參數,這對駕駛員認為操縱來說是一件非常困難的事,所以該方案始終沒有真正在大型直升機設計中被採用。

這裡四旋翼飛行器重新考慮採用這種結構形式,主要是因為總距控制和週期變距控制雖然設計精巧,控制靈活,但其複雜的機械結構卻使它無法再小型四旋翼飛行器設計中應用。

另外,四旋翼飛行器的旋翼效率相對很低,從單個旋翼上增加拉力的空間是非常有限的,所以採用多旋翼結構形式無疑是一種提高四旋翼飛行器負載能力的最有效手段之一。

至於四旋翼結構存在控制量較多的問題,則有望通過設計自動飛行控制系統來解決。

四旋翼飛行器採用四個旋翼作為飛行的直接動力源,旋翼對稱分佈在機體的前後、左右四個方向,四個旋翼處於同一高度平面,且四個旋翼的結構和半徑都相同,旋翼1和旋翼3逆時針旋轉,旋翼2和旋翼4順時針旋轉,四個電機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和外部設備。




四旋翼飛行器的結構形式如圖1.1所示。

圖1.1 四旋翼飛行器的結構形式

 

2.工作原理


典型的傳統直升機配備有一個主轉子和一個尾槳。

他們
是通過控制舵機來改變螺旋槳的槳距角,從而控制直升機的姿態和位置。

四旋翼飛行器與此不同,是通過調節四個電機轉速來改變旋翼轉速,實現升力的變化,從而控制飛行器的姿態和位置。

由於飛行器是通過改變旋翼轉速實現升力變化,這樣會導致其動力部穩定,所以需要一種能夠長期保穩定的控制方法。

四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機,因此非常適合靜態和准靜態條件下飛行。

但是四旋翼飛行器只有四個輸入力,同時卻有六個狀態輸出,所以它又是一種欠驅動系統。

圖1.2 四旋翼飛行器沿各自由度的運動






四旋翼飛行器結構形式如圖所示,電機1 和電機3 逆時針旋轉的同時,電機2 和電機4 順時針旋轉,因此當飛行器平衡飛行時,陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。

與傳統的直升機相比,四旋翼飛行器有下列優勢:

各個旋翼對機身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉方向相反,因此當電機1 和電機3逆時針旋轉的同時,電機2和電機4順時針旋轉,可以平衡旋翼對機身的反扭矩。




四旋翼飛行器在空間共有6個自由度(分別沿3個坐標軸作平移和旋轉動作),這6個自由度的控制都可以通過調節不同電機的轉速來實現。

基本運動狀態分別是:(1)垂直運動;(2)俯仰運動;(3)滾轉運動;(4)偏航運動;(5)前後運動;(6)側向運動。

在圖3.2中,電機1和電機3作逆時針旋轉,電機2和電機4作順時針旋轉,規定沿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轉速提高,在下方表示此電機轉速下降。






(1)垂直運動:垂直運動相對來說比較容易。

在圖中,因有兩對電機轉向相反,可以平衡其對機身的反扭矩,當同時增加四個電機的輸出功率,旋翼轉速增加使得總的拉力增大,當總拉力足以克服整機的重量時,四旋翼飛行器便離地垂直上升;反之,同時減小四個電機的輸出功率,四旋翼飛行器則垂直下降,直至平衡落地,實現了沿z軸的垂直運動。

當外界擾動量為零時,在旋翼產生的升力等於飛行器的自重時,飛行器便保持懸停狀態。保證四個旋翼轉速同步增加或減小是垂直運動的關鍵。



(2)俯仰運動:在圖(b)中,電機1的轉速上升,電機3的轉速下降,電機2、電機4的轉速保持不變。

為了不因為旋翼轉速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力

改變,旋翼1與旋翼3轉速該變量的大小應相等。

由於旋翼1的升力上升,旋翼3的升力下降,產生的不平衡力矩使機身繞y軸旋轉(方向如圖所示),同理,當電機1的轉速下降,電機3的轉速上升,機身便繞y軸向另一個方向旋轉,實現飛行器的俯仰運動。



(3)滾轉運動:與圖b的原理相同,在圖c中,改變電機2和電機4的轉速,保持電機1和電機3的轉速不變,則可使機身繞x軸旋轉(正向和反向),實現飛行器的滾轉運動。


(4)偏航運動:四旋翼飛行器偏航運動可以借助旋翼產生的反扭矩來實現。

旋翼轉動過程中由於空氣阻力作用會形成與轉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,兩個反轉,且對角線上的來年各個旋翼轉動方向相同。

反扭矩的大小與旋翼轉速有關,當四個電機轉速相同時,四個旋翼產生的反扭矩相互平衡,四旋翼飛行器不發生轉動;當四個電機轉速不完全相同時,不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉動。

在圖d中,當電機1和電機3的轉速上升,電機2和電機4的轉速下降時,旋翼1和旋翼3對機身的反扭矩大於旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩,機身便在富餘反扭矩的作用下繞z軸轉動,實現飛行器的偏航運動,轉向與電機1、電機3的轉向相反。



(5)前後運動:要想實現飛行器在水平面內前後、左
右的運動,必須在水平面內對飛行器施加一定的力。

在圖e中,增加電機3轉速,使拉力增大,相應減小電機1轉速,使拉力減小,同時保持其它兩個電機轉速不變,反扭矩仍然要保持平衡。

按圖b的理論,飛行器首先發生一定程度的傾斜,從而使旋翼拉力產生水平份量,因此可以實現飛行器的前飛運動。

向後飛行與向前飛行正好相反。

當然在圖b圖c中,飛行器在產生俯仰、翻滾運動的同時也會產生沿x、y軸的水平運動。



(6)

傾向運動:在圖f中,由於結構對稱,所以傾向飛行的工作原理與前後運動完全一樣。