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多旋翼(yì)型飞行器(qì)原理

 

1.什(shí)么(me)是多旋翼

多旋翼飞行器是一类通过多个定(dìng)距桨(螺旋(xuán)桨)正反旋转(zhuǎn)与转速控制(zhì)提(tí)供飞行器(qì)升力与(yǔ)飞行器姿态调整(zhěng)。这样的定(dìng)义方式使我们准确了解多(duō)旋翼飞行器的旋翼结(jié)构、升力来源、姿(zī)态(tài)控制方式。

2.多旋翼飞行(háng)器一般(bān)结构

任何飞行器都(dōu)可以分为(wéi)三个部分:控制器,执行器,反馈环节。控制器包括飞控,接收机;执行器包括电调,直流电机,定距正(zhèng)反桨;反馈(kuì)环节就是传(chuán)感系统,一般包括两大类:飞行器姿态(tài)传感系统,外部环境(jìng)感知系统。

3.多旋翼飞行器控制原理

四旋(xuán)翼(yì)飞行器正反桨两两成对,分别向不同方(fāng)向旋转(zhuǎn),平(píng)衡扭矩并向旋翼“下方”推送气流。通过成对变化定(dìng)距桨旋转(zhuǎn)速(sù)度,调整入流量(liàng)来(lái)实现飞行(háng)器(qì)姿态控制。

一般而言,四旋(xuán)翼(yì)飞行器(qì)有两(liǎng)种飞行模式,上面介绍的是X型控制结(jié)构,也是当下使用较多的控制方式。除此之外还有十字型,两者(zhě)原理大(dà)同,细节小异。

至于八(bā)旋翼,十六旋翼甚至更多,都(dōu)是通过成对正(zhèng)反桨平衡扭矩,提供升(shēng)力(lì),调(diào)整姿态。

4.多旋翼飞行器特点

多旋翼机型确实降低(dī)了商(shāng)品(pǐn)无人机的门槛。然而(ér)在很多飞(fēi)行器设计师的眼中多旋翼飞(fēi)行器是(shì)一(yī)个非(fēi)常“奇(qí)怪”的存在,它的缺点(diǎn)实在非(fēi)常(cháng)多,却(què)因同样具有非常(cháng)鲜明(míng)的优点而成为当下无人机市场的宠儿。

优点

从(cóng)飞行器操作者的(de)角度来看,多旋(xuán)翼是完美(简(jiǎn)单)的被控(kòng)对象(虽然它还是(shì)非线(xiàn)性,非(fēi)最小相位系统(tǒng))。

多旋翼飞行(háng)器可以很容易(yì)产生统一方向的(de)气流推送,因(yīn)此(cǐ)具(jù)备优秀(xiù)的(de)VOTL能(néng)力与定点(diǎn)悬停能力,而(ér)这是一般(bān)固定翼飞机(jī)望尘莫及的。

同时对称(chēng)的旋翼布局使得其(qí)操(cāo)控简单直(zhí)接,姿态调整时只需成对改(gǎi)变旋翼转速,就可提供非常“直接”的姿态(tài)力矩。而(ér)其它旋翼机则一般(bān)会有一个复杂的动(dòng)力学过渡过程(这样描述其(qí)实很不专业,却(què)比较容易(yì)理解),增加了炸鸡(jī)以及飞行器(qì)周围人员(yuán)的风险(xiǎn),对操作者的控制(zhì)要求提升了很多(duō)。

而(ér)且多旋翼飞行器的姿态变化方式(shì)使(shǐ)得该机型直接采用(yòng)定距桨,相比(bǐ)于直升机(jī)的(de)变距桨在(zài)机(jī)械设计结(jié)构,控制(zhì)难度,实(shí)现成本(běn),姿态平稳方面都有很大(dà)提升。

一句(jù)话:多旋翼(yì)飞行器使得飞行(háng)变得简单

缺点

从飞行器设(shè)计者的角度(dù)来看多(duō)旋翼飞行(háng)器却(què)是—“无比丑(chǒu)陋”的。

首先,其(qí)气动效率非(fēi)常糟糕(gāo)。固定翼(yì)是(shì)上(shàng)帝(dì)为飞行生物设计的完美的飞行器(qì)结构。固定翼在(zài)空中可以借助气流产生升力(lì),姿态变换通过“借(jiè)力”实现(还是要有执(zhí)行器控制相应的机(jī)械结构,但省“力”很多),螺旋桨或者喷气发动机只提供额外飞行速度。而多旋翼需要(yào)安装与旋(xuán)翼数相同的电(diàn)机来提供升力,在飞行过程中完(wán)全没有办法借助空气动力。姿态变(biàn)化(huà),飞(fēi)行速度全部来自于机载(zǎi)动力,自身能(néng)量消耗巨大,效率(lǜ)之低令人(rén)发(fā)指(zhǐ)。

这也是(shì)为(wéi)什么(me)在讨论翼型时基本(běn)都是关于固定翼和直升机的,多旋翼的(de)定(dìng)距桨也就(jiù)是谈一(yī)谈扭(niǔ)矩(jǔ),旋翼尺寸(cùn)和电机选择(zé)方面的(de)匹(pǐ)配罢(bà)了。

其次,在机动性方面,直升机型飞行器机动(dòng)速度与飞行(háng)包络都(dōu)明显(xiǎn)优于多旋翼飞行器,如果在(zài)机动过程中充分考虑直升机(jī)机身与主(zhǔ)旋翼之间的作用力耦合,并(bìng)在控制(zhì)算法中巧妙地加以(yǐ)利用则可以增强直升机的机动(dòng)性(xìng),降低能耗。但对于多旋翼而言(yán),机动过程(chéng)既不(bú)美观也不经(jīng)济。

最后(hòu),当多旋(xuán)翼(yì)飞行器“大型化”也就(jiù)是Scale number(尺寸(cùn)系(xì)数)上升后,意味(wèi)着(zhe)需要提供(gòng)更大的升力(lì)从而要求更大尺寸(cùn)的定距(jù)桨,这不但面临着更大动(dòng)力(lì)模块(kuài)的难题,同(tóng)时众(zhòng)多大尺寸旋翼(yì)在一个平面中旋转(zhuǎn)会使实际控制变更加(jiā)困难。

一句话:多旋翼飞行器使得飞行变得(dé)没品质。

任何一种飞行器结构都必(bì)然存在自己优缺点,换句话说,留给(gěi)爱好者和设计者的空(kōng)间是很大的,无人(rén)机(jī)在飞(fēi)行器控制方式和结构设计中蕴藏着巨(jù)大(dà)的创新(xīn)潜(qián)力(lì)。相信以后可以看(kàn)到越来(lái)越(yuè)多奇妙(miào)、美丽(lì)、高效(xiào)的飞(fēi)行器设计结构。

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