【四旋翼無人機】四旋翼無人機原理和結(jié)構(gòu) 四旋翼無人機的優(yōu)缺點

四旋翼無人機原理和結(jié)構(gòu)

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,。

2、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,。

四旋翼無人機的優(yōu)缺點

常見飛行器通常被分為固定翼、直升機和多旋翼（四旋翼最為主流）,。

1,、緣何青睞多旋翼

首先，我們以目前電動的固定翼,、直升機和多旋翼為例比較它們的用戶體驗：

在操控性方面,，多旋翼的操控是最簡單的。

它不需要跑道便可以垂直起降,，起飛后可在空中懸停,。它的操控原理簡單，操控器四個遙感操作對應(yīng)飛行器的前后,、左右,、上下和偏航方向的運動。在自動駕駛儀方面,，多旋翼自駕儀控制方法簡單,，控制器參數(shù)調(diào)節(jié)也很簡單。相對而言,，學(xué)習(xí)固定翼和直升機的飛行不是簡單的事情,。固定翼飛行場地要求開闊，而直升機飛行過程中會產(chǎn)生通道間耦合,，自駕儀控制器設(shè)計困難,，控制器調(diào)節(jié)也很困難。

在可靠性方面,，多旋翼也是表現(xiàn)最出色的,。

若僅考慮機械的可靠性,，多旋翼沒有活動部件，它的可靠性基本上取決于無刷電機的可靠性,，因此可靠性較高,。相比較而言，固定翼和直升機有活動的機械連接部件,，飛行過程中會產(chǎn)生磨損,，導(dǎo)致可靠性下降。而且多旋翼能夠懸停,，飛行范圍受控,，相對固定翼更安全。

在勤務(wù)性方面,，多旋翼的勤務(wù)性是最高的,。

因其結(jié)構(gòu)簡單，若電機,、電子調(diào)速器,、電池、槳和機架損壞,，很容易替換,。而固定翼和直升機零件比較多，安裝也需要技巧,，相對比較麻煩,。

在續(xù)航性能方面，多旋翼的表現(xiàn)明顯弱于其他兩款,，其能量轉(zhuǎn)換效率低下,。

在承載性能方面，多旋翼也是三者中最差的,。

對于這三種機型,，操控性與飛機結(jié)構(gòu)和飛行原理相關(guān)，是很難改變的,。在可靠性和勤務(wù)性方面,，多旋翼始終具備優(yōu)勢。隨著電池能量密度的不斷提升,、材料的輕型化和機載設(shè)備的不斷小型化,，多旋翼的優(yōu)勢將進一步凸顯。因此,，在大眾市場,，“剛性”體驗最終讓人們選擇了多旋翼。

然而,，多旋翼也有自身的發(fā)展瓶頸,。

它的運動和簡單結(jié)構(gòu)都依賴于螺旋槳及時的速度改變，以調(diào)整力和力矩,，該方式不宜推廣到更大尺寸的多旋翼,。

第一、槳葉尺寸越大,，越難迅速改變其速度,。

正是因為如此，直升機主要是靠改變槳距而不是速度來改變升力,。

第二,、在大載重下，槳的剛性需要進一步提高,。

螺旋槳的上下振動會導(dǎo)致剛性大的槳很容易折斷,，這與我們平時來回折鐵絲便可將鐵絲折斷同理。因此,，槳葉的柔性是很重要的,，它可以減少槳葉來回旋轉(zhuǎn)對槳葉根部的影響。正因為如此,，為了減少槳葉的疲勞,，直升機采用了一個容許槳葉在旋轉(zhuǎn)過程中上下運動的鉸鏈。如果要提供大載重,，多旋翼也需要增加活動部件或加入涵道和整流片,。這相當于一個多旋翼含有多個直升機結(jié)構(gòu)。這樣多旋翼的可靠性和維護性就會急劇下降,，優(yōu)勢也就不那么明顯了,。當然，另一種增加多旋翼載重能力的可行方案便是增加槳葉數(shù)量,，增至18個或32個槳,。但該方式會極大地降低可靠性、維護性和續(xù)航性,。種種原因使人們最終選擇了微小型多旋翼,。