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多旋翼型飞行器原理

 

1.什么是多旋(xuán)翼

多(duō)旋翼飞行(háng)器是一类通过多个定距桨(螺旋桨)正反旋转与转速控制提(tí)供飞行(háng)器升力与飞行器姿态调整。这(zhè)样的定义方式使我们(men)准确(què)了解(jiě)多旋翼飞行(háng)器的旋翼结构、升力来(lái)源、姿态控制(zhì)方式(shì)。

2.多旋翼飞行器一般结构

任(rèn)何飞行器都可(kě)以分为三个部分:控(kòng)制器(qì),执行器,反(fǎn)馈环(huán)节。控制器包括飞控,接收机;执行(háng)器包括电调(diào),直流(liú)电(diàn)机,定距正反桨;反馈环(huán)节就是传感系统,一般包括(kuò)两大类:飞行器姿态传感(gǎn)系统,外部环(huán)境感知系统。

3.多旋翼飞行(háng)器控制(zhì)原理

四旋(xuán)翼飞行器正反桨两(liǎng)两成对,分(fèn)别向不同方向旋转,平衡(héng)扭矩并向旋翼“下方”推送气流(liú)。通过成对变化定距(jù)桨旋转速度,调(diào)整入(rù)流量来实现飞行器姿态(tài)控制。

一(yī)般而(ér)言,四(sì)旋翼(yì)飞(fēi)行器有两种(zhǒng)飞行模式,上(shàng)面介绍的是X型控制结构,也是当下使用较多的控制方式(shì)。除(chú)此之外还有(yǒu)十字型,两者原理大(dà)同,细节小异。

至于八旋翼,十六旋翼甚至更多,都是通过成对正(zhèng)反(fǎn)桨平衡扭矩,提(tí)供升力,调整(zhěng)姿态(tài)。

4.多旋翼飞行器特(tè)点

多旋翼机型确实降低了商品无人机的门槛。然而在很多飞(fēi)行器设计师的眼中多旋翼(yì)飞行(háng)器是(shì)一个非常“奇(qí)怪”的存在,它的(de)缺点实在(zài)非常多,却因同样具有非常(cháng)鲜明(míng)的优点而成为当下无人机(jī)市场的宠儿。

优点

从飞行器操作者的角(jiǎo)度来看,多旋翼(yì)是完(wán)美(简单)的被控对象(虽然它还是(shì)非线性,非(fēi)最(zuì)小相(xiàng)位系(xì)统)。

多旋翼飞行器可以很容易产生统一方(fāng)向的气流推送,因(yīn)此具备优秀的VOTL能力与(yǔ)定点悬停能(néng)力,而这(zhè)是一般固定翼飞机(jī)望尘莫及的(de)。

同时(shí)对称的(de)旋翼布局(jú)使(shǐ)得其操控简单直接,姿(zī)态调整(zhěng)时只需成对改(gǎi)变旋翼(yì)转速,就可提供非常“直接”的(de)姿态力矩。而其它旋翼机则一(yī)般会有一个复杂的动力学过渡过程(这样描述其实很不专业(yè),却比较容易理解),增加(jiā)了炸鸡以及飞行器周(zhōu)围(wéi)人员的(de)风险,对操作者的控制(zhì)要求(qiú)提升了很多。

而且多旋翼飞行器的姿态变化方式(shì)使得该机(jī)型直接采用定距桨,相(xiàng)比于直(zhí)升机的变距桨在机械设计结构,控制难度(dù),实(shí)现(xiàn)成本,姿态平稳方面都有很大(dà)提升。

一句话:多旋(xuán)翼飞行器使得(dé)飞行(háng)变(biàn)得简单

缺点

从飞(fēi)行(háng)器设计者的(de)角度来看多(duō)旋翼飞(fēi)行器(qì)却(què)是—“无比(bǐ)丑(chǒu)陋”的。

首先(xiān),其气(qì)动效率非常糟糕。固定翼是上帝为(wéi)飞行生物(wù)设计的完(wán)美的飞行器结构。固定翼在空中(zhōng)可以借助气流(liú)产生升力,姿态变换通过“借力(lì)”实(shí)现(xiàn)(还是要有执行器控制相应(yīng)的机械结(jié)构(gòu),但省(shěng)“力”很多),螺旋桨或者(zhě)喷气发动机只提供额外飞行速度(dù)。而多旋翼需(xū)要安装与旋翼(yì)数相同的电机来(lái)提供升力(lì),在飞行过程中(zhōng)完全没有办法(fǎ)借助空气(qì)动(dòng)力。姿态(tài)变化,飞行速度(dù)全(quán)部来(lái)自于机载(zǎi)动力,自(zì)身能量消耗巨大,效率之低令(lìng)人发指。

这也是为什(shí)么(me)在讨论翼型时基(jī)本都(dōu)是关于(yú)固定翼和(hé)直升机的,多旋翼(yì)的定距桨也就是谈(tán)一谈扭矩,旋翼尺寸和电机(jī)选择方(fāng)面的匹配罢了。

其次,在机(jī)动(dòng)性方面,直升机型飞(fēi)行器(qì)机动速度与(yǔ)飞(fēi)行包络都明显优于(yú)多(duō)旋翼飞行(háng)器(qì),如果(guǒ)在机动过程中充分考虑(lǜ)直升机(jī)机身与主旋翼之间的作用力耦合,并在(zài)控制算法(fǎ)中巧妙地加以利用则可以增强(qiáng)直(zhí)升机的机动性,降低能耗。但对(duì)于(yú)多旋翼而(ér)言,机动过程既不(bú)美观也不经济(jì)。

最(zuì)后,当(dāng)多旋翼飞(fēi)行器“大型(xíng)化”也就是Scale number(尺寸系数)上升后,意味着需要提供更大的升力从(cóng)而要求更(gèng)大尺(chǐ)寸的定距桨,这不但(dàn)面临(lín)着更大动力模块的难题,同时众多大尺寸(cùn)旋翼在一个平面中旋转会使实际控制变更加困难。

一句话:多(duō)旋(xuán)翼飞行(háng)器使得(dé)飞(fēi)行变得(dé)没品质。

任(rèn)何一种(zhǒng)飞行(háng)器结构都(dōu)必然存(cún)在自(zì)己优缺点(diǎn),换(huàn)句话说,留给爱好(hǎo)者和设计者(zhě)的空间是很大的,无人机(jī)在飞(fēi)行器控制方式和(hé)结构(gòu)设(shè)计(jì)中蕴藏(cáng)着巨(jù)大的创新潜力(lì)。相信以后可以看到(dào)越来越多奇妙、美丽、高效的(de)飞行器设计结构。

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