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多旋翼无人机飞行原理;多旋翼飞行器是通过调节多个电机转速来改变螺旋桨转速,实现升力的变化,进而达到飞行姿态控制的目的。
多旋翼飞行原理详解
以四旋翼飞行器为例,飞行原理如下图所示,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,因此飞行器平衡飞行时,陀螺效应和空气动力扭矩效应全被抵消。与传统的直升机相比,四旋翼飞行器的优势:各个旋翼对机身所产生的反扭矩与旋翼的旋转方向相反,因此当电机1和电机3逆时针旋转时,电机2和电机4顺时针旋转,可以平衡旋翼对机身的反扭矩。?
;一般情况下,多旋翼飞行器可以通过调节不同电机的转速来实现4个方向上的运动,分别为:垂直、俯仰、横滚和偏航。
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;垂直运动,即升降控制
在图(a)中,两对电机转向相反,可以平衡其对机身的反扭矩,当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。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。
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;俯仰运动,即前后控制
在图(b)中,电机1的转速上升,电机3的转速下降,电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变,旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。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(方向如图所示),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。?
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;横滚运动,即左右控制
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,便可以使机身绕x轴方向旋转,从而实现飞行器横滚运动。?
;偏航运动,即旋转控制
四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中??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,从而实现飞行器的偏航运动。
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;飞行控制系统通过高效的控制算法内核,能够精准地感应并计算出飞行器的飞行姿态等数据,再通过主控制单元实现精准定位悬停和自主平稳飞行。
在没有飞行控制系统的情况下,有很多的专业飞手经过长期艰苦的练习,也能控制飞行器非常平稳地飞行,但是,这个难度和要求特别高,同时需要非常丰富的实战经验。如果没有飞行控制系统,飞手需要时时刻刻关注飞行器的动向,眼睛完全不可能离开飞行器,时时刻刻处于高度紧张的工作状态。而且,人眼的有效视距是非常有限的,即使能稳定地控制飞行,但是控制的精度也很可能满足不了航拍的需求,控制距离越远,控制精度越差。还有,对于不同的拍摄需求,以及面临不同的拍摄环境或条件,人为飞行控制更是难上加上,甚至根本不可能实现。
飞行控制系统是目前实现简单操控和精准飞行的必备武器。?
;飞行控制系统一般主要由主控单元、IMU(惯性测量单元)、GPS指南针模块、LED指示灯模块等部件组成。
1、主控单元是飞行控制系统的核心,通过它将IMU、GPS指南针、舵机和遥控接收机等设备接入飞行控制系统从而实现飞行器自主飞行功能。除了辅助飞行控制以外,某些主控器还具备记录飞行数据的黑匣子功能,比如:DJI的AceOne。主控单元还能通过USB接口,进行飞行参数的调节和系统的固件升级。
;IMU(惯性测量单元),包含3轴加速度计、3轴角速度计和气压高度计,是高精度感应飞行器姿态、角度、速度和高度的元器件集合体,在飞行辅助功能中充当极其重要的角色。;GPS指南针模块,包含GPS模块和指南针模块,用于精确确定飞行器的方向及经纬度。对于失控保护自动返航,精准定位悬停等功能的实现至关重要。;LED指示灯模块,用于实时显示飞行状态,是飞行过程中必不可少的,它能帮助
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