多旋翼模型无人机造型设计(2)
四旋翼无人机是一种吹冰自由度的垂直起降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行；但是，从另一方面来说，四旋翼直升机有四个输入力，同时却有吹冰个输出，所以它又是一种欠驱动系统(欠驱动系统是指少输入多输出系统)。通常的旋翼式直升机具有倾角可以变化的螺旋桨，而四旋翼直升机与此不同，它的前后和左右两组螺旋桨的转动方向相反，并且通过改变螺旋桨速度来改变升力，进而改变四旋翼直升机的姿态和位置。
四旋翼飞行器实际是一种具有四个螺旋桨推进器的直升机，并且四个螺旋桨呈十字交叉结构。如图下所示。
四旋翼飞行器结构图
四旋翼飞行器的动作是通过改变四个螺旋桨产生的升力来控制的。传统的旋翼式直升机通过改变螺旋桨的旋转速度，叶片攻击角(倾斜角)和叶片轮列角，从而既可以调整升力的大小又可以调整升力的方向。与传统的旋翼式直升机不同，四旋翼飞行器只能够通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作。尽管四旋翼飞行器的螺旋桨倾角是固定的，但是由于螺旋桨是用弹性材料制成的，因此可以通过空气阻力扭曲螺旋桨来改变倾角。总之，升力是四个螺旋桨速度的合成效应，而旋转力矩则是由四个螺旋桨速度的差异效应引起的。
1.3 四旋翼无人机特点
四旋翼直升机通过平衡四个螺旋桨产生的力来实现稳定的盘旋以及精确飞行。单个螺旋桨的旋翼式直升机(同时具有一个用于抵消感应力矩的尾部螺旋桨)在复杂环境下飞行是非常危险的，因为裸露的螺旋桨叶片很可能会碰到某些周围的物体，并因此导致旋翼式直升机的坠毁。此外，即使是富有经验的飞行员也很难使这样的直升机靠近物体。而四旋翼直升机可以完成这样的动作，是因为相对于一般的单螺旋旋翼式直升机它可以采用更小的螺旋桨，进而使飞行变得更加安全，不至于使裸露在外面的螺旋桨刮到周围物体而坠毁。此外，四个螺旋桨产生的推力较单个螺旋桨产生的推力能更好的实现飞行器的静态盘旋。
四旋翼无人机是一种由四个输入力产生6个自由度方向运动的欠驱动旋翼式直升机。它是一种依靠动力学的飞行器，并且产生反运动的力也很小。同时，四旋翼直升机具有高度耦合的动特性：一个螺旋桨速度的改变将导致至少三个自由度方向上的运动。例如，减小右面螺旋桨的速度将会导致直升机向右滚动，因为左右升力出现了不平衡；同时也会导致直升机向右偏航，因为左右为一组的螺旋桨和前后为一组的螺旋桨产生的力矩出现了不平衡；此外，滚动又将会导致直升机向右的平移，因为此时螺旋桨的力是指向左方和下方的。偏航进一步的又会引起平移，从而改变了前进的方向。
表1-1 四旋翼直升机特点
尽管四旋翼直升机有重量很大和能量需求也很大的缺点，但相对于系统的优点这些缺点就算不了什么了。此种旋翼式直升机提供了更高的有效载荷，同时潜在的简化了制造和控制。
1.4 四旋翼无人机工作原理
四旋翼飞行器是固定在刚性十字交叉结构上由四个独立电机驱动的螺旋桨组成的系统，如图1-1 所示。
图1-1 四旋翼飞行器工作原理图
尽管有四个驱动，但因为四旋翼直升机具有吹冰个坐标输出，所以仍然是欠驱动和动力不稳定的系统。沿着任意给定方向的独立运动，飞行器如果没有给予足够多的运动驱动，那么该飞行器就是欠驱动的。因此为了实现全部的运动控制目标，必然存在旋转力矩与平移系统的耦合。由图1-1 可以看出，两组螺旋桨(1，3)和(2，4)以相反的方向旋转。通过改变螺旋桨速度，就可以改变升力并产生各种动作。同时增加或减小四个螺旋桨的速度可产生垂直运动。相反的改变2和4螺旋桨速度可产生滚动以及相应的侧向运动。同理，俯仰运动和相应的侧向运动则来自于1和3螺旋桨速度的相反改变。偏航运动则更加复杂，因为它来自于每对螺旋桨反力矩的差异。向上或向下的动作是同时增加或减小所有四个螺旋桨推力来控制的。前后螺旋桨推力的差异产生俯仰力矩，导致前后动作的转换。同样，左右动作的转换是通过左右螺旋桨推力的差异来获得的。
下一篇：便携式户外手电筒设计+文献综述