澳洲多旋翼飞行器气动原理

在澳大利亚汽车



多重旋转系统

在我们地球的三维空间中，我们通常用三个轴的矢量位移来描述物体在三维空间中的运动和位置。这三个轴通常表示为 X（经度）、Y（纬度）和 Z（高度）。围绕这三个轴的旋转所引起的三种不同的运动称为 Roll、Pitch 和 Yaw。


多旋翼飞行器的运动
Roll – 绕X轴旋转，使飞行器左右倾斜移动
俯仰——绕Y轴旋转，使飞行器前后移动
Yaw——绕Z轴旋转，改变飞机机头水平方向的方向
Roll、pitch 和 Yaw 的动作都是由飞控通过操作控制器上的 4 个油门来完成的。每个动作的快慢都可以通过改变相应的油门大小来完成

四旋翼飞行原理
控制

在控制多旋翼飞行器时，了解如何控制飞行器的各种运动非常重要。多旋翼飞行器的各种运动是通过改变电机转速来实现的。电机带动各轴上的螺旋桨旋转产生升力。飞行控制器精确调节各轴电机的相对速度，使多旋翼飞行器完成横滚、俯仰、偏航或上升或下降的运动。
横滚和俯仰运动
为了让飞行器完成横滚动作，飞控需要让两侧中与X轴对称的一侧的一对电机比另一侧旋转得更快，从而使这一侧的螺旋桨产生更大的动力比另一边。大举升完成翻滚动作。
为了让飞行器完成俯​​仰动作，飞控需要让两侧中与Y轴对称的一侧的一对电机比另一侧旋转得更快，从而使这一侧的螺旋桨产生更大的动力比另一边。大举升完成俯仰动作。
举个栗子：
Roll - 如果飞机要向右倾斜，飞控必须控制左边两个红色螺旋桨的速度比右边两个蓝色螺旋桨的速度快，这样左边的螺旋桨就会产生更大的旋转速度比对的。升力使飞机向右倾斜。


俯仰——同样，如果飞机要前倾，飞控必须控制后方的两个红色螺旋桨的速度比前面的两个蓝色螺旋桨的速度快，这样后方的螺旋桨就会产生一个比值。前面更大的升力导致飞机向前倾斜。


偏航
控制多旋翼飞行器在Z轴上水平旋转的运动比roll和pitch更复杂。
螺旋桨旋转时，与空气产生摩擦，空气也会对螺旋桨产生气动阻力，以抵抗螺旋桨的运动。因此，当螺旋桨顺时针旋转时，产生的气动阻力是逆时针方向的，从而使飞行器逆时针方向旋转。旋转。正如牛顿第三定律所描述的：当两个物体相互作用时，它们的大小相等，方向相反，因此作用在螺旋桨上的顺时针扭矩也会对飞机产生一个逆时针扭矩，从而推动飞机前进。飞机逆时针旋转。
在多旋翼飞行器上，为了让飞行器达到旋转平衡，我们将相邻的两个螺旋桨设置为以相同的速度向相反的方向旋转，如下图所示：


四轴飞行器上的 4 个螺旋桨都试图使飞行器向相反的方向旋转，从而抵消彼此的旋转。这就是为什么多旋翼飞行器的轴数必须是偶数，相邻的两个螺旋桨旋转方向相反。
所以当我们需要飞行器逆时针旋转时，我们控制顺时针螺旋桨加速旋转，或者逆时针螺旋桨减速旋转，这样可以破坏气动阻力平衡，使飞行器完成逆时针偏航运动，如图下图。同理，反之。


控制飞行高度
地球上的一切物体都受到地球引力的作用，方向都是朝向地心的。这种力称为重力。飞机要想飞起来，就得让飞机产生一个向上的力来克服重力，这个力叫做升力。多旋翼飞行器中的所有螺旋桨都会产生升力。因此，多旋翼飞行器的螺旋桨外形也被设计成类似于固定翼飞行器的机翼。当螺旋桨旋转时，螺旋桨推动空气产生向下的力，同时（仍然是牛顿第三定律）空气也对螺旋桨产生向上的升力。当升力大于重力时，飞机上升；当升力等于重力时，飞行器悬停；当升力小于重力时，飞行器下降。


重心
我们通常假设重力作用在物体上的某一点上，这个点称为重心。而这个重心也位于一条指向地心的线上，我们称之为重心线。现在让我们把这条线具体化为一根杆子。如果一个物体的重心落在这根杆子上，那么这个物体也能达到平衡而坐在杆子上，或者以这根杆子为轴水平旋转。
如果物体的形状发生变化��，使重心离开杆子，物体就会失去平衡而翻倒。因此，我们在飞行器上装载负载时，应尽量靠近重心。
当飞行器的倾角越大，作用在水平方向的推力矢量就越大，作用在垂直方向的推力矢量就小。如果飞行器要悬停在一个高度，垂直矢量的力必须等于重力。因此，飞行器倾斜时，必须增加总推力，使垂直矢量力与重力保持平衡，使飞行器水平悬停。倾斜角度越大，所需的油门越大。
当飞行器的倾角大于一个临界值时，即使油门全开，产生的升力也无法抵消重力，炸鸡就来了。这种情况在手动模式飞行中很常见。

地面效果
所有的地面效应都是由螺旋桨将空气向下推，导致飞机下方的气压升高引起的。当飞机接近地面时，向下的气流到达地面无法继续向下扩散，飞机旋翼下方会形成高压区。有趣的是，这个高压区会减小转子的阻力，因此升力也会相应增加（牛顿继续翻看）。因此，在地面效应下，飞机可以用更少的燃料飞行。气垫船是原理。地面效应通常发生在起飞和降落期间。
但是，在地面效应的影响下，飞行器相对不稳定。离地面越近，地面效应越强。一般在30厘米左右，就会逐渐消失，这与飞机的大小有关。因此，在飞行过程中应尽量避免地面效应。同样的方法也可以在水面上产生地面效应。

补偿性控制
多旋翼飞行器主要有4种主要飞行姿态：油门、横滚、俯仰和偏航。这些飞行姿态都是由飞控调节摇杆的输出来控制的。
但是当这些飞机的飞行姿态发生变化时，就会对飞机产生副作用。
举个栗子：
如果我们想让飞机向前飞，以美国人的手为例，我们需要向前推动右操纵杆，让飞机完成一个俯仰动作。如果此时飞行器悬停在空中，所有的推力都用来抵抗垂直矢量上的重力，与重力大小方向相反，水平推力矢量为零。当飞机俯仰时，推力的方向发生变化，产生一个倾斜角，推力产生一个水平矢量，所以飞机会发生水平位移。同时，由于总推力不变，推力的垂直矢量相应减小，不足以抵抗重力。这样做的副作用是飞机会失去高度。


为了保持飞行器水平，在手动模式下，飞行控制器必须增加油门以使推力和重力的垂直矢量平衡。同理，如果飞行器是完成俯仰运动，也会产生同样的副作用。在自动模式下，飞控会根据倾角的大小加大油门，自动补偿垂直矢量的力。 DJI的P模式（定位）和S模式（运动）肯定有自动补偿，但不清楚A模式（姿态）是否有自动补偿。
而对于飞行器在向前飞行的同时完成一个组合动作，比如偏航转弯，这个副作用就更复杂了。试想一下，飞机在向前飞行时，突然出现90度Yaw运动，飞机就会“脱轨”。你可以想象一下，如果你以 100km/h 的速度驾驶汽车，然后突然将方向盘向左打，会发生什么情况。
因此，为了让飞机转弯漂亮，我们需要让飞机同时完成一个横滚动作，让飞机向转弯的方向倾斜，并有一个向心力，防止飞机“翻滚”。出轨”。这就是为什么在高速公路转弯处，道路向内倾斜的原因。如果你还没有想象过飞机的飞行姿态，建议星战多看几遍。
具体操作如下


评论
说句公道话，就是一辆车。

评论

你的权利。

无人机。

评论


评论
楼主是在写控制程序吗？
你写了多少？什么芯片和工具链？你能告诉我吗？

评论

你高估我了

点评
这个应该放在户外运动版吧？

评论

你也可以在室内飞行。

评论
感谢分享

评论

不能飞出去？

点评
反重力引擎是方向，空气动力学太古文明了……！

评论

汽车版，能不能把我的帖子移到无人机版？
技术干货贴，能顶吗？

评论
7 年前...
澳洲中文论坛热点