1 机械原理实验一四旋翼飞行器实验指导书.pdf

实验一四旋翼飞行器实验指导书

一、实验目的

1.通过对四旋翼无人机结构的分析，了解四旋翼无人机的基本结构、工作的

原理和传动控制系统；

2.练习采用手机控制终端来控制无人机飞行，并了解无人机飞行大赛的相

关内容，及程序开发变为智能飞行无人机。

二、实验设备和工具

1.Parrot公司AR.Drone2.0四旋翼飞行器一架；

2.苹果手机一部；

3.蓝牙数据传输设备一套。

4.自备铅笔、橡皮、草稿纸。

三、实验内容

1、了解四旋翼无人机的基本结构；

2、了解四旋翼无人机的传动控制路线；

3、掌握四旋翼无人机的飞行控制的基本操作；

4、了解四旋翼无人机翻转动作的机理；

5、能根据指令控制无人机完成特定操作。

四、实验说明

1、四旋翼飞行器的介绍

任何由人类制造、能飞离地面、在空间飞行并由人来控制的飞行物，称为飞

行器。在大气层内飞行的飞行器称为航空器，如气球、滑翔机、飞艇、飞机、直

升机等。它们靠空气的静浮力或空气相对运动产生的空气动力升空飞行。飞行器

不仅广泛应用于军事，在民用领域的作用也在增加，机载GPS和MEMS(Micro-

Electro-MechanicalSystems)惯性传感器的飞行器甚至可以在没有人为控制的室

外环境中飞行。对飞行器的研究目前主要包括固定翼、旋翼及扑翼式三种，四旋

翼飞行器在布局形式上属于旋翼的一种，相对于别的旋翼式飞行器来说四旋翼飞

行器结构紧凑，能产生更大的升力，而且不需要专门的反扭矩桨保持飞行器扭矩

平衡。

四旋翼飞行器能够垂直起降，不需要滑跑就可以起飞和着陆，从而不需要专

门的机场和跑道，降低了使用成本，可以分散配置，便于伪装，对敌进行突袭和

侦察。四旋翼飞行器能够自由悬停和垂直起降，结构简单，易于控制，这些优势

决定了其具有广泛的应用领域，不但具有一般战场需要的各种作战功能，比如侦

察监视，为其他作战武器指示目标等，甚至可以作为投放武器的载体。

目前现有的无人机模型制造厂有很多，如表1－1，业内最为领先的即是法

国派诺特Parrot公司。

表1－1无人机模型制造商简表

名称简介图片

2、四旋翼飞行器的基本结构

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1－2所示。

图1－2四旋翼飞行器的结构形式

3、四旋翼飞行器的工作原理

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。

图1－3四旋翼飞行器沿自由度飞行的示意图

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。

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