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1、无人机驾驶员航空知识手册培训教材 多旋翼 简介 多旋翼 依靠多个 多于3个 旋翼产生升力 并依靠旋翼控制的飞行器 简介 简介 多旋翼与直升机的相同与不同之处1 均靠旋翼产生升力2 直升机靠自动倾斜器控制桨叶周期变距调整姿态 旋翼转速恒定 多旋翼靠不同方位的旋翼转速变化调整不同方位的升力改变姿态 3 多旋翼靠成对电机反转实现平衡扭矩 4 无人直升机的控制对象主要是舵机 多旋翼控制对象主要是电机 电调 简介 四旋翼飞行器 四旋翼飞行器的概念 四旋翼飞行器就是一种具有四个螺旋桨的飞行器并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构 相对的四旋翼具有相同的旋转方向 分两组 两组的旋转方向不同 飞行器也通过控制这两组螺
2、旋桨的转速与转向产生不同的升力实现上下前后左右的六个方向飞行的航模模型 四旋翼飞行器的组成 电机电调螺旋桨飞控板锂电池遥控器 六通控制 一个四轴机架基本线路连接 四旋翼飞行器的结构形式 四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源 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 旋翼1和旋翼3逆时针旋转 旋翼2和旋翼4顺时针旋转 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 四旋翼飞行器的结构形式如图所示 四旋翼飞行器 四旋翼飞行器的飞行原理 四旋翼飞行器是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
3、制飞行器的姿态和位置由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化 这样会导致其动力部稳定 所以需要一种能够长期保稳定的控制方法 四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机 因此非常适合静态和准静态条件下飞行 但是四旋翼飞行器只有四个输入力 同时却有六个状态输出 所以它又是一种欠驱动系统 与传统的直升机相比 四旋翼飞行器有下列优势 各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反 因此当电机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 可以平衡旋翼对机身的反扭矩 四旋翼飞行器 四旋翼飞行器在空间共有6个自由度 分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作 这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现
4、 基本运动状态分别是 垂直运动俯仰运动滚转运动偏航运动前后运动和侧向运动 四旋翼飞行器 垂直运动 在图 a 中 因有两对电机转向相反 可以平衡其对机身的反扭矩 当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 保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键 四旋翼飞行器 俯仰运动 在图 b 中 电机1的转速上升 电机3转速下降 电机2 电机4的转速保持不变
5、 为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变 旋翼1与旋翼3转速改变量的大小应相等 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 方向如图所示 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 也就是说通过这实现了四轴飞行器的翻转 四旋翼飞行器 滚转运动 滚转运动与俯仰运动一样 同样是为了实现四轴飞行器的翻转 只不过俯仰运动改变的是电机1 3的转速 保持电机2 4的转速不变 使得四轴飞行器绕y轴进行旋转 而滚转运动则是改变电机2 4的转速 保持电机1 3转速不变 使四轴飞行器绕x轴进行旋转 原理如图 c
6、 示 四旋翼飞行器 偏航运动 四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现 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
7、3的转向相反 原理如图 d 示 四旋翼飞行器 前后运动与侧向运动 要想实现飞行器在水平面内前后 左右的运动 必须在水平电机转速不变 反扭矩仍然要保持平衡 按图b的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 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 四旋翼飞行器 同理 根据四轴飞行器前后运动的工作原理 将飞行器x y轴上的电机的工作状态进行互换便可以实现飞行器侧向运动 原理图如图 f 所示 四旋翼飞行器 四旋翼飞行器 多旋翼主要参数 总体参数 是总体方案
8、的设计变量 对方案有着决定性的影响 主要包括 多旋翼总重G 桨盘载荷p 功率载荷q 旋翼实度和桨尖速度 R等1 桨盘载荷p旋翼的拉力 近似等于G 与旋翼桨盘面积之比2 功率载荷qP和q值可定义为 由 3 和 4 得到 图4 1桨盘载荷对功率载荷的影响 其中 5 6 四旋翼飞行器 3 旋翼实度 对于矩形桨叶 4 桨尖速度 R R确定后 桨尖速度决定旋翼轴转速n 7 四旋翼飞行器 电机 电机也就是马达 可以说电机是四旋翼飞行器的基础配件之一 电机分为有刷和无刷两种 在四轴飞行器中无刷是主流 不管什么牌子的电机 具体都要对应4位这类数字如2212电机什么的 其中前面2位是电机转子的直径 后面2位是电
9、机转子的高度 简单来说 前面2位越大 电机越肥 后面2位越大 电机越高 另外 每个无刷电机都会标准多少kv值 这个kv是外加1v电压对应的每分钟空转转速 例如 1000kv电机 外加1v电压 电机空转时每分钟转100加2v电压 电机空转就2000转了 四旋翼飞行器 四旋翼飞行器 四旋翼飞行器 四旋翼飞行器 四旋翼飞行器 四旋翼飞行器 四旋翼飞行器 电调 电调都会标上多少A 如20a电调就是电子调速器 电调的作用就是将飞控板的控制信号 转变为电流的大小 以控制电机的转速 因为电机的电流是很大的 通常每个电机同时正常工作时 如果没有电调的存在 飞控板根本无法承受这样大的电流 另外也没驱动无刷电机的
10、功能 同时电调在四轴当中还充当了电压变化器的作用 将电压变为5v为飞控板和遥控器供电 40a这个数字就是电调能够提供的电流 大电流的电调可以兼容用在小电流的地方 小电流电调不能超标使用 四旋翼飞行器 对于航模用的无刷直流电机 转速精度要求并不很高 使用开环控制方式就可满足要求 外转子电机内部构造 无刷电机拆解 AB通电 AC通电 四旋翼飞行器 四旋翼飞行器 四旋翼飞行器 霍耳效应器件 霍耳效应测量器件可以根据转子不同位置时的不同磁场方向分布情况输出位置信号 一般在电机的不同位置上装三个霍尔传感器 就可测出转子的位置 这就是所谓的 有感无刷电机的驱动 无感 测量方式 利用第三相的感生电动势 无感
11、驱动方式的优点在于省略了三个霍尔传感器 整套系统分量更轻 结构更简单 其缺点在于启动比较麻烦 启动的时候可控性较差 要达到一定转速后才变得可控 四旋翼飞行器 螺旋桨 螺旋桨一般有两叶和三叶两种类型同电机类似 桨的型号也有10X8这些数字 前面代表桨的直径 后面2位是桨的角度 桨距 另外 四轴飞行为了抵消螺旋桨的自旋 相隔的桨旋转方向是不一样的 所以需要正反桨 正反桨的风都向下吹 适合顺时针旋转的叫正浆 适合逆时针旋转的是反浆 正反桨需要精确配平 四旋翼飞行器 四旋翼飞行器 螺旋桨的参数 直径 螺距 桨叶扭转分布 桨叶弦长分布 桨叶实度 桨叶翼型 直径 D螺距 螺旋桨旋转一周 劈开空气旋转的距离
12、H 一般定义70 或75 处为名义螺距 桨距测量 phy7 atan H Pi D 0 7 螺距表征了螺旋桨旋转一周带动空气前进的名义距离 螺距越大 越适应高速前飞 桨叶 桨毂 桨尖 桨根 后缘 前缘 四旋翼飞行器 桨叶的平面形状很多 使用较多的有三种 四旋翼飞行器 螺旋桨直径D 螺旋桨半径R 剖面半径r 相对半径r R 桨弦b 四旋翼飞行器 桨叶角 桨弦和旋转面之间的夹角 桨叶迎角 桨弦和入流 即相对气流 之间的夹角 入流角 入流和旋转面之间的夹角 四旋翼飞行器 第三章第页 43 飞行中 螺旋桨是一面旋转一面前进的 螺旋桨剖面具有两个速度 一个是前进速度v 一个是圆周速度 切向速度 u 右图
13、为桨叶切面上某一点的运动轨迹 四旋翼飞行器 飞控板 飞控板就是飞行器的大脑 如果没有飞控板 四轴飞行器就会因为安装 外界干扰 零件之间的不一致型等原因形成飞行力量不平衡 后果就是左右 上下的胡乱翻滚 根本无法飞行 飞控板的作用就是通过飞控板上的陀螺仪 对四轴飞行状态进行快速调整 如发现右边力量大 向左倾斜 那么就减弱右边电流输出 电机变慢 升力变小 自然就不再向左倾斜 四旋翼飞行器 APM 四旋翼飞行器 遥控器 通道数 遥控器控制的动作路数 比如遥控器只能控制四轴上下飞 那么就是1个通道 但四轴在控制过程中需要控制的动作路数有 上下 左右 前后 旋转所以最低得4通道遥控器 美国手 日本手 大多
14、数遥控器都会有美国手 左手控制油门 和日本手 右手控制油门 之分 四旋翼飞行器 电池 考虑到四旋翼飞行器质轻高飞的特点 所以在选用电池时往往选择锂电池 因为同样电池容量锂电最轻 起飞效率最高 另外 电池的多少mah表示电池容量 如1000mah电池 如果以1000ma放电 可持续放电1小时 如果以500mh放电 可以持续放电2小时 电池后面的2s 3s 4s代表锂电池的节数 锂电池1节标准电压为3 7v 电池后面多少c代表电池放电能力 这是普通锂电池和动力锂电池最重要区别 动力锂电池需要很大电流放电 这个放电能力就是C来表示的 如1000mah电池标准为5c 那么用5x1000mah 得出电池
15、可以以5000mh的电流强度放电 这很重要 如果用低c的电池 大电流放电 电池会迅速损坏 甚至自燃 四旋翼飞行器 单体电压 标称3 7 满充4 2v 放电保护电压 3v 容量 蓄电池的总能量 电压X容量 放电倍率 以多少倍容量电流放电 最大放电电流 容量X放电倍率 充电倍率 以多少倍容量电流充电 能量密度 总能量 总重量 四旋翼飞行器 四旋翼飞行器 四旋翼飞行器 四轴机架 四轴飞行器的机架 必须要符合飞行器的结构基础 能够保持对称稳定性 另外需要注意的是四根轴架的尺寸长度 保证4个螺旋桨不打架就可以了 但要考虑到螺旋桨之间因为旋转产生的乱流互相影响 建议还是不要太近 否则影响效率 这也是为什么四轴用2叶螺旋桨比用3叶螺旋桨多的原因之一 3叶的还有个缺点 平衡不好做 四旋翼飞行器 四旋翼飞行器 德国MD4 1000四旋翼 四旋翼飞行器 德国MD4 1000四旋翼 四旋翼飞行器 德国MD4 1000四旋翼 桨叶直径约700mm 悬停效率 18g W 四旋翼飞行器 德国MD4 1000四旋翼 桨叶直径约700mm 转速1400 1600rpm 悬停效率 18g W 四旋翼飞行器 旋翼 变距改善电动机操纵延迟特性 使用油机 系留式多旋翼
