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

四旋翼無人機(jī)原理和結(jié)構(gòu)

1、結(jié)構(gòu)形式

旋翼對稱分布在機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)，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(jī) 1和電機(jī) 3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機(jī) 2和電機(jī) 4順時針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)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(jī) 1和電機(jī) 3作逆時針旋轉(zhuǎn)，電機(jī) 2和電機(jī) 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(jī)轉(zhuǎn)速提高，在下方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。

（1）垂直運動：同時增加四個電機(jī)的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當(dāng)總拉力足以克服整機(jī)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(jī)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(dāng)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(jī) 1的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速下降（改變量大小應(yīng)相等），電機(jī) 2、電機(jī) 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(jī)身繞 y 軸旋轉(zhuǎn)，同理，當(dāng)電機(jī) 1 的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī) 3的轉(zhuǎn)速上升，機(jī)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(jī) 2和電機(jī) 4的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī)1和電機(jī) 3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機(jī)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(dāng)四個電機(jī)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(dāng)四個電機(jī)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(dāng)電機(jī) 1和電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī) 2 和電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速下降時，旋翼 1和旋翼3對機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機(jī)身的反扭矩，機(jī)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(jī) 1、電機(jī)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(jī) 3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機(jī) 1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時保持其它兩個電機(jī)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(jī)的優(yōu)缺點

常見飛行器通常被分為固定翼、直升機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的可靠性，因此可靠性較高。相比較而言，固定翼和直升機(jī)有活動的機(jī)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(jī)、電子調(diào)速器、電池、槳和機(jī)架損壞，很容易替換。而固定翼和直升機(jī)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(jī)型，操控性與飛機(jī)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(jī)載設(shè)備的不斷小型化，多旋翼的優(yōu)勢將進(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)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(dāng)于一個多旋翼含有多個直升機(jī)結(jié)構(gòu)。這樣多旋翼的可靠性和維護(hù)性就會急劇下降，優(yōu)勢也就不那么明顯了。當(dāng)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(hù)性和續(xù)航性。種種原因使人們最終選擇了微小型多旋翼。