四旋翼飞行器结构和原理
1结构形式
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。结构形式如图11所示。
2工作原理
四旋翼飞行器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。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机但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。
f四旋翼飞行器的电机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。
f在上图中电机1和电机3作逆时针旋转电机2和电机4作顺时针旋转规定沿x轴正方向运动称为向前运动箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高在下方表示此电机转速下降。
1垂直运动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。
2俯仰运动在图b中电机1的转速上升电机3的转速下降改变量大小应相等电机2、电机4的转速保持不变。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。
3滚转运动与图b的原理相同在图c中改变电机2和电机4的转速保持电机1和电机3的转速不变则可使机身绕x轴旋转正向和反向实现飞行器的滚转运动。4偏航运动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各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关当四个电机转速相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和旋翼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3的转向相反。5前后运动要想实现飞行器在水平r