四旋翼无人机的结构形式和工作原理

四旋翼飞行器的结构形式和工作原理

1.结构形式

直升机在巧妙使用总距控制和周期变距控制之前,四旋
翼结构被认为是一种最简单和最直观的稳定控制形式。但由
于这种形式必须同时协调控制四个旋翼的状态参数,这对驾
驶员认为操纵来说是一件非常困难的事,所以该方案始终没
有真正在大型直升机设计中被采用。这里四旋翼飞行器重新
考虑采用这种结构形式,主要是因为总距控制和周期变距控
制虽然设计精巧,控制灵活,但其复杂的机械结构却使它无
法再小型四旋翼飞行器设计中应用。另外,四旋翼飞行器的
旋翼效率相对很低,从单个旋翼上增加拉力的空间是非常有
限的,所以采用多旋翼结构形式无疑是一种提高四旋翼飞行
器负载能力的最有效手段之一。至于四旋翼结构存在控制量
较多的问题,则有望通过设计自动飞行控制系统来解决。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1.1所示。


电机4电机2
电机1
电机3
飞行控制计算机
支架
旋翼

图1.1四旋翼飞行器的结构形式

2.工作原理

典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾桨。他们
是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角,从而控制直升机的
姿态和位置。四旋翼飞行器与此不同,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。


2413ZXY2413ZX(a)垂直运动(b)俯仰运动
Y


2413ZXY2413ZXY(c)滚转运动(d)偏航运动


2413ZXY2413ZXY(e)前后运动(f)侧向运动

图1.2四旋翼飞行器沿各自由度的运动

四旋翼飞行器结构形式如图所示,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,因此当飞行器
平衡飞行时,陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。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,

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