【四旋翼(yi)無人機】四旋翼(yi)無人機原理和結(jie)構 四旋翼(yi)無人機的優缺點

四旋翼無人機原理和結構

1、結構形式

旋翼(yi)(yi)對(dui)稱(cheng)分布在(zai)機(ji)(ji)體的前后、左右四(si)個(ge)方(fang)向，四(si)個(ge)旋翼(yi)(yi)處(chu)于同一高(gao)度(du)平(ping)面，且四(si)個(ge)旋翼(yi)(yi)的結構和(he)半徑(jing)都相(xiang)同，四(si)個(ge)電機(ji)(ji)對(dui)稱(cheng)的安裝在(zai)飛行器(qi)的支(zhi)架(jia)(jia)端，支(zhi)架(jia)(jia)中間空間安放飛行控(kong)制計算機(ji)(ji)和(he)外(wai)部設備。結構形式如圖 1.1所示。

2、工作原理

四(si)(si)旋(xuan)翼飛行器(qi)通過調節四(si)(si)個電機(ji)轉(zhuan)(zhuan)速(su)(su)來改變(bian)旋(xuan)翼轉(zhuan)(zhuan)速(su)(su)，實現升(sheng)力的變(bian)化，從而控制飛行器(qi)的姿態和位置。四(si)(si)旋(xuan)翼飛行器(qi)是(shi)一種六(liu)自由(you)度的垂直升(sheng)降機(ji)，但(dan)只(zhi)有四(si)(si)個輸入力，同時(shi)卻(que)有六(liu)個狀態輸出，所以它又是(shi)一種欠驅動系統(tong)。

四旋翼飛行器的電機 1和電機(ji) 3逆時針旋轉(zhuan)的同(tong)時，電機(ji) 2和電機(ji) 4順時針旋轉(zhuan)，因此當飛行器平(ping)衡飛行時，陀螺效(xiao)應(ying)和空氣(qi)動力扭矩(ju)效(xiao)應(ying)均被(bei)抵消(xiao)。

在(zai)上圖(tu)中，電(dian)機(ji)(ji) 1和電(dian)機(ji)(ji) 3作(zuo)逆時針旋轉，電(dian)機(ji)(ji) 2和電(dian)機(ji)(ji) 4作(zuo)順時針旋轉，規定沿(yan) x軸正方向(xiang)運動(dong)稱為向(xiang)前(qian)運動(dong)，箭頭(tou)在(zai)旋翼的運動(dong)平面上方表示此電(dian)機(ji)(ji)轉速(su)提高，在(zai)下方表示此電(dian)機(ji)(ji)轉速(su)下降。

（1）垂直運(yun)動：同時(shi)(shi)增(zeng)(zeng)加四(si)(si)(si)個(ge)電機的輸出功率(lv)，旋(xuan)翼(yi)轉(zhuan)速增(zeng)(zeng)加使得總的拉力增(zeng)(zeng)大，當(dang)總拉力足以克服(fu)整機的重量時(shi)(shi)，四(si)(si)(si)旋(xuan)翼(yi)飛(fei)行(xing)(xing)(xing)器便離地垂直上升；反之(zhi)，同時(shi)(shi)減小四(si)(si)(si)個(ge)電機的輸出功率(lv)，四(si)(si)(si)旋(xuan)翼(yi)飛(fei)行(xing)(xing)(xing)器則垂直下降，直至平(ping)衡落地，實現了(le)沿(yan) z軸的垂直運(yun)動。當(dang)外界擾動量為零時(shi)(shi)，在旋(xuan)翼(yi)產生的升力等(deng)于飛(fei)行(xing)(xing)(xing)器的自重時(shi)(shi)，飛(fei)行(xing)(xing)(xing)器便保持懸(xuan)停(ting)狀態(tai)。

（2）俯(fu)仰(yang)運(yun)動：在圖（b）中，電(dian)機(ji)(ji) 1的(de)(de)轉速(su)(su)上升，電(dian)機(ji)(ji) 3 的(de)(de)轉速(su)(su)下(xia)降(jiang)（改變量大小應(ying)相等），電(dian)機(ji)(ji) 2、電(dian)機(ji)(ji) 4 的(de)(de)轉速(su)(su)保持不(bu)變。由于旋(xuan)翼1 的(de)(de)升力上升，旋(xuan)翼 3 的(de)(de)升力下(xia)降(jiang)，產生的(de)(de)不(bu)平衡力矩使機(ji)(ji)身(shen)繞 y 軸(zhou)旋(xuan)轉，同(tong)理，當電(dian)機(ji)(ji) 1 的(de)(de)轉速(su)(su)下(xia)降(jiang)，電(dian)機(ji)(ji) 3的(de)(de)轉速(su)(su)上升，機(ji)(ji)身(shen)便繞y軸(zhou)向(xiang)另一個(ge)方向(xiang)旋(xuan)轉，實(shi)現飛行器的(de)(de)俯(fu)仰(yang)運(yun)動。

（3）滾(gun)轉(zhuan)(zhuan)運(yun)(yun)動：與圖 b 的原理相同(tong)，在圖 c 中，改(gai)變電(dian)機 2和電(dian)機 4的轉(zhuan)(zhuan)速，保持電(dian)機1和電(dian)機 3的轉(zhuan)(zhuan)速不變，則可使(shi)機身繞(rao) x 軸旋轉(zhuan)(zhuan)（正向和反(fan)向），實現飛行器的滾(gun)轉(zhuan)(zhuan)運(yun)(yun)動。

（4）偏(pian)航運動(dong)(dong)(dong)：旋(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)動(dong)(dong)(dong)過程(cheng)中(zhong)由于空氣阻力作(zuo)用會形成與(yu)(yu)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)動(dong)(dong)(dong)方向相(xiang)(xiang)反(fan)的(de)(de)(de)(de)反(fan)扭(niu)(niu)矩(ju)，為了克服反(fan)扭(niu)(niu)矩(ju)影(ying)響(xiang)，可使四個(ge)旋(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)兩個(ge)正轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)，兩個(ge)反(fan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)，且對(dui)角線(xian)上的(de)(de)(de)(de)各個(ge)旋(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)動(dong)(dong)(dong)方向相(xiang)(xiang)同(tong)。反(fan)扭(niu)(niu)矩(ju)的(de)(de)(de)(de)大小與(yu)(yu)旋(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)有(you)關(guan)，當四個(ge)電(dian)機(ji)(ji)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)相(xiang)(xiang)同(tong)時，四個(ge)旋(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)產生的(de)(de)(de)(de)反(fan)扭(niu)(niu)矩(ju)相(xiang)(xiang)互平衡，四旋(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)飛行(xing)器不(bu)發生轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)動(dong)(dong)(dong)；當四個(ge)電(dian)機(ji)(ji)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)不(bu)完全相(xiang)(xiang)同(tong)時，不(bu)平衡的(de)(de)(de)(de)反(fan)扭(niu)(niu)矩(ju)會引起四旋(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)飛行(xing)器轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)動(dong)(dong)(dong)。在圖 d中(zhong)，當電(dian)機(ji)(ji) 1和(he)(he)電(dian)機(ji)(ji) 3 的(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)上升，電(dian)機(ji)(ji) 2 和(he)(he)電(dian)機(ji)(ji) 4 的(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)下降時，旋(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi) 1和(he)(he)旋(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)3對(dui)機(ji)(ji)身(shen)的(de)(de)(de)(de)反(fan)扭(niu)(niu)矩(ju)大于旋(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)2和(he)(he)旋(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)4對(dui)機(ji)(ji)身(shen)的(de)(de)(de)(de)反(fan)扭(niu)(niu)矩(ju)，機(ji)(ji)身(shen)便在富余反(fan)扭(niu)(niu)矩(ju)的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用下繞 z軸轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)動(dong)(dong)(dong)，實現飛行(xing)器的(de)(de)(de)(de)偏(pian)航運動(dong)(dong)(dong)，轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)向與(yu)(yu)電(dian)機(ji)(ji) 1、電(dian)機(ji)(ji)3的(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)向相(xiang)(xiang)反(fan)。

（5）前(qian)(qian)(qian)后(hou)(hou)運(yun)動(dong)：要想實現飛(fei)(fei)(fei)行(xing)器在(zai)水(shui)(shui)平面(mian)(mian)內前(qian)(qian)(qian)后(hou)(hou)、左右的(de)(de)運(yun)動(dong)，必須在(zai)水(shui)(shui)平面(mian)(mian)內對飛(fei)(fei)(fei)行(xing)器施加一定的(de)(de)力(li)。在(zai)圖 e中，增加電(dian)機(ji) 3轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速，使(shi)拉(la)力(li)增大，相(xiang)應減(jian)小(xiao)電(dian)機(ji) 1轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速，使(shi)拉(la)力(li)減(jian)小(xiao)，同時保持其它兩(liang)個電(dian)機(ji)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速不(bu)變(bian)，反(fan)扭(niu)矩(ju)仍然要保持平衡(heng)。按圖 b的(de)(de)理論，飛(fei)(fei)(fei)行(xing)器首先發生(sheng)一定程度的(de)(de)傾斜(xie)，從(cong)而(er)使(shi)旋翼(yi)拉(la)力(li)產(chan)生(sheng)水(shui)(shui)平分量(liang)，因(yin)此可(ke)以實現飛(fei)(fei)(fei)行(xing)器的(de)(de)前(qian)(qian)(qian)飛(fei)(fei)(fei)運(yun)動(dong)。向后(hou)(hou)飛(fei)(fei)(fei)行(xing)與(yu)向前(qian)(qian)(qian)飛(fei)(fei)(fei)行(xing)正(zheng)好相(xiang)反(fan)。（在(zai)圖 b 圖 c中，飛(fei)(fei)(fei)行(xing)器在(zai)產(chan)生(sheng)俯仰、翻(fan)滾運(yun)動(dong)的(de)(de)同時也會產(chan)生(sheng)沿 x、y軸的(de)(de)水(shui)(shui)平運(yun)動(dong)。）

（6）傾向(xiang)(xiang)運動(dong)：在圖 f 中(zhong)，由于結構對稱，所以傾向(xiang)(xiang)飛(fei)行(xing)的工(gong)作原(yuan)理與前后運動(dong)完(wan)全一樣。

四旋翼無人機的優缺點

常(chang)見(jian)飛行(xing)器(qi)通常(chang)被分(fen)為固定翼(yi)、直(zhi)升(sheng)機和多旋翼(yi)（四旋翼(yi)最(zui)為主(zhu)流）。

1、緣何青睞多旋翼

首先，我們以(yi)目前電(dian)動的固定(ding)翼、直升機(ji)和多旋翼為例比(bi)較它們的用戶體驗：

在操(cao)控性方面(mian)，多旋(xuan)翼的操(cao)控是最簡單的。

它不需要跑道(dao)便可(ke)以(yi)垂直(zhi)起降，起飛(fei)后(hou)可(ke)在(zai)空(kong)中(zhong)懸停。它的操(cao)控(kong)原理簡(jian)(jian)單(dan)，操(cao)控(kong)器四個遙感操(cao)作對應飛(fei)行器的前后(hou)、左右、上下和(he)偏航方向的運動。在(zai)自(zi)動駕(jia)(jia)駛儀方面，多旋(xuan)翼(yi)自(zi)駕(jia)(jia)儀控(kong)制方法(fa)簡(jian)(jian)單(dan)，控(kong)制器參數(shu)調(diao)節(jie)也很簡(jian)(jian)單(dan)。相對而言，學習(xi)固定翼(yi)和(he)直(zhi)升機的飛(fei)行不是(shi)簡(jian)(jian)單(dan)的事情。固定翼(yi)飛(fei)行場地要求(qiu)開(kai)闊(kuo)，而直(zhi)升機飛(fei)行過(guo)程中(zhong)會產生通道(dao)間耦合，自(zi)駕(jia)(jia)儀控(kong)制器設計困(kun)難(nan)，控(kong)制器調(diao)節(jie)也很困(kun)難(nan)。

在可靠性方面，多旋翼也是表現最出色的(de)。

若僅考慮機(ji)械的(de)可靠(kao)(kao)性(xing)，多(duo)旋(xuan)(xuan)翼沒有(you)活(huo)動部件(jian)，它的(de)可靠(kao)(kao)性(xing)基本上取(qu)決(jue)于無刷電機(ji)的(de)可靠(kao)(kao)性(xing)，因此可靠(kao)(kao)性(xing)較高。相比較而言，固定翼和直升(sheng)機(ji)有(you)活(huo)動的(de)機(ji)械連接部件(jian)，飛(fei)行過程中會產生磨(mo)損，導(dao)致可靠(kao)(kao)性(xing)下降。而且多(duo)旋(xuan)(xuan)翼能夠(gou)懸停，飛(fei)行范圍受控，相對固定翼更安(an)全。

在勤務性方面(mian)，多旋翼的(de)勤務性是(shi)最(zui)高(gao)的(de)。

因其(qi)結構簡單，若電機、電子調(diao)速器、電池、槳和(he)機架損(sun)壞，很容易替換。而固定翼和(he)直升機零件比(bi)較多，安裝也需要(yao)技(ji)巧，相對比(bi)較麻煩。

在續航性能(neng)方面(mian)，多旋翼的(de)表(biao)現明顯弱(ruo)于其他(ta)兩款，其能(neng)量轉換效率(lv)低(di)下。

在承載性能(neng)方面，多(duo)旋翼也是(shi)三者(zhe)中最差的。

對(dui)于這三種機(ji)型(xing)，操控性(xing)與(yu)飛機(ji)結構和飛行原理相關，是很難改變的(de)(de)。在(zai)可(ke)靠(kao)性(xing)和勤務性(xing)方(fang)面，多旋翼始終(zhong)具備(bei)優勢。隨著電池能量密(mi)度的(de)(de)不(bu)斷(duan)提升、材料的(de)(de)輕型(xing)化和機(ji)載設備(bei)的(de)(de)不(bu)斷(duan)小(xiao)型(xing)化，多旋翼的(de)(de)優勢將進一步(bu)凸顯。因此，在(zai)大眾市場，“剛(gang)性(xing)”體驗最終(zhong)讓人們選擇了多旋翼。

然(ran)而(er)，多旋翼(yi)也有自身的(de)發展瓶頸。

它的運(yun)動和(he)簡單結構都依賴于螺(luo)旋(xuan)槳(jiang)及時的速(su)度改(gai)變，以(yi)調(diao)整力和(he)力矩，該(gai)方式不宜推廣到更(geng)大尺寸的多(duo)旋(xuan)翼。

第一、槳葉尺寸越大，越難迅速改變其速度。

正是因為如此，直升機主(zhu)要是(shi)靠改變槳距而不是(shi)速(su)度來改變升(sheng)力。

第二、在大載重下，槳的剛性需要進一步提高。

螺旋(xuan)(xuan)槳(jiang)的(de)(de)上下(xia)振動會(hui)導致剛(gang)性(xing)(xing)(xing)(xing)大(da)的(de)(de)槳(jiang)很(hen)容(rong)易(yi)折斷，這與我們平時來回(hui)折鐵絲便(bian)可(ke)(ke)(ke)將鐵絲折斷同理。因此(ci)，槳(jiang)葉(xie)(xie)的(de)(de)柔性(xing)(xing)(xing)(xing)是(shi)很(hen)重(zhong)(zhong)要的(de)(de)，它可(ke)(ke)(ke)以減少槳(jiang)葉(xie)(xie)來回(hui)旋(xuan)(xuan)轉對(dui)槳(jiang)葉(xie)(xie)根部的(de)(de)影(ying)響。正因為如(ru)此(ci)，為了(le)(le)減少槳(jiang)葉(xie)(xie)的(de)(de)疲(pi)勞，直升機采(cai)用了(le)(le)一個(ge)(ge)容(rong)許槳(jiang)葉(xie)(xie)在旋(xuan)(xuan)轉過程中上下(xia)運動的(de)(de)鉸(jiao)鏈。如(ru)果要提供大(da)載(zai)(zai)重(zhong)(zhong)，多(duo)旋(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)(yi)也(ye)(ye)需要增加(jia)活(huo)動部件或(huo)加(jia)入涵道和(he)整流(liu)片。這相(xiang)當于一個(ge)(ge)多(duo)旋(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)(yi)含有多(duo)個(ge)(ge)直升機結構。這樣多(duo)旋(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)(yi)的(de)(de)可(ke)(ke)(ke)靠(kao)性(xing)(xing)(xing)(xing)和(he)維(wei)護(hu)性(xing)(xing)(xing)(xing)就會(hui)急劇下(xia)降，優(you)勢也(ye)(ye)就不(bu)那么明顯了(le)(le)。當然(ran)，另一種增加(jia)多(duo)旋(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)(yi)載(zai)(zai)重(zhong)(zhong)能力(li)的(de)(de)可(ke)(ke)(ke)行(xing)方(fang)案便(bian)是(shi)增加(jia)槳(jiang)葉(xie)(xie)數量，增至18個(ge)(ge)或(huo)32個(ge)(ge)槳(jiang)。但該方(fang)式會(hui)極大(da)地降低(di)可(ke)(ke)(ke)靠(kao)性(xing)(xing)(xing)(xing)、維(wei)護(hu)性(xing)(xing)(xing)(xing)和(he)續航性(xing)(xing)(xing)(xing)。種種原因使人(ren)們最(zui)終選擇了(le)(le)微(wei)小型多(duo)旋(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)(yi)。