多旋翼課程一（四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)和原理）設(shè)計
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- 多旋翼課程一（四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)和原理）四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)和原理
1.結(jié)構(gòu)形式
旋翼對稱分布在機體的前后、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，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(shè)備。結(jié)構(gòu)形式如圖 1.1所示。
.工作原理
四旋翼飛行器通過調(diào)節(jié)四個電機轉(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，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 1和電機 3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機 2和電機 4順時針旋轉(zhuǎn)，因此當飛行器平衡飛行時，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 1和電機 3作逆時針旋轉(zhuǎn)，電機 2和電機 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轉(zhuǎn)速提高，在下方表示此電機轉(zhuǎn)速下降。
（1）垂直運動：同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)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(xiàn)了沿 z軸的垂直運動。當外界擾動量為零時，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)。
（2）俯仰運動：在圖（b）中，電機 1的轉(zhuǎn)速上升，電機 3 的轉(zhuǎn)速下降（改變量大小應(yīng)相等），電機 2、電機 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身繞 y 軸旋轉(zhuǎn)，同理，當電機 1 的轉(zhuǎn)速下降，電機 3的轉(zhuǎn)速上升，機身便繞y軸向另一個方向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)飛行器的俯仰運動。
（3）滾轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，保持電機1和電機 3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機身繞 x 軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運動。
（4）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)，當四個電機轉(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；當四個電機轉(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，當電機 1和電機 3 的轉(zhuǎn)速上升，電機 2 和電機 4 的轉(zhuǎn)速下降時，旋翼 1和旋翼3對機身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機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 1、電機3的轉(zhuǎn)向相反。
（5）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 3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機 1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時保持其它兩個電機轉(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。）
（6）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。
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