1.什么是多旋翼
多旋翼(yì)飞行(háng)器(qì)是一类通过多个(gè)定距桨(螺旋桨)正反旋转与转速控(kòng)制提供飞(fēi)行器升力与飞行(háng)器姿态调整。这样的定义(yì)方(fāng)式使我们准确(què)了解多旋翼飞(fēi)行器的旋翼结构、升力来源、姿态控(kòng)制方式(shì)。
2.多(duō)旋翼飞行器一般结构
任何飞行器(qì)都(dōu)可(kě)以分为(wéi)三个部分:控制器,执行(háng)器(qì),反(fǎn)馈环节。控(kòng)制器包(bāo)括飞控,接收机;执行(háng)器包(bāo)括电(diàn)调,直流电机,定距正反桨;反馈环节就(jiù)是(shì)传感系统,一(yī)般包括两大类:飞行器姿态传感系统,外部(bù)环境感知系统(tǒng)。
3.多旋翼飞行器(qì)控制(zhì)原理
四旋(xuán)翼飞行器正反桨两两成对,分别向不同方向旋转(zhuǎn),平(píng)衡(héng)扭(niǔ)矩并向旋翼“下方”推送气流。通过成对(duì)变化(huà)定距桨旋转(zhuǎn)速度,调整(zhěng)入流量来(lái)实现(xiàn)飞行器姿态控制(zhì)。
一般而言,四旋翼飞行器有两种飞行模式,上面(miàn)介绍的是X型控(kòng)制(zhì)结(jié)构,也是当下使用较(jiào)多的控制方式。除(chú)此之外还有十字型,两者原理(lǐ)大同,细节小(xiǎo)异。
至于八旋翼,十(shí)六旋(xuán)翼甚至更多,都是通过成(chéng)对正反桨平(píng)衡扭矩,提供(gòng)升力,调整(zhěng)姿态。
4.多旋翼飞(fēi)行器特点
多旋翼机型确实降低了商品无人机(jī)的(de)门槛(kǎn)。然而在很多飞行器设计师的(de)眼中(zhōng)多旋翼飞行器是一个非常“奇怪”的存在,它的缺点实在非常多(duō),却因同样(yàng)具有非(fēi)常鲜明的优点而成为当下无人机市(shì)场的宠儿。
优点
从飞行器(qì)操作者的角度来看(kàn),多(duō)旋翼(yì)是完美(简(jiǎn)单)的被控对象(虽然它(tā)还是非线性,非最小相位(wèi)系统)。
多(duō)旋翼(yì)飞行器可以很容(róng)易产(chǎn)生统一方向的气流推送,因此具备优秀的VOTL能力与定点悬停能力,而这(zhè)是一般固定(dìng)翼(yì)飞机望尘莫及的。
同(tóng)时对称的旋翼布局(jú)使得其操(cāo)控简单直接,姿态调整时只需成(chéng)对改变旋(xuán)翼转(zhuǎn)速,就可提供非常“直(zhí)接”的姿态力(lì)矩。而其(qí)它旋翼机则一般会有一个复杂的动(dòng)力学过渡过(guò)程(chéng)(这样描述其(qí)实很不专业,却(què)比较容易理解),增加(jiā)了炸鸡以及飞行器(qì)周围人员的风险,对(duì)操(cāo)作者的(de)控制要(yào)求提升了很多。
而且多旋翼飞行器(qì)的姿态变化方式使得该机(jī)型直接采用定距桨(jiǎng),相比于直升机的变距桨在机械设(shè)计结构,控制难(nán)度,实现成本,姿态平稳方面都有很大(dà)提升。
一句话:多旋翼飞行(háng)器使(shǐ)得(dé)飞行变得简单
缺点
从(cóng)飞行器设计者的角度来看多旋(xuán)翼飞行器却是—“无(wú)比丑陋”的。
首先(xiān),其气动效(xiào)率非常糟糕(gāo)。固定翼(yì)是上帝为飞行(háng)生物设计的完美的(de)飞行(háng)器结构。固定(dìng)翼在空(kōng)中可以借助气(qì)流(liú)产生升(shēng)力,姿态变(biàn)换(huàn)通过“借力”实现(xiàn)(还(hái)是要有(yǒu)执行器(qì)控(kòng)制相应(yīng)的机(jī)械(xiè)结构,但省(shěng)“力”很多),螺旋桨或者喷气发(fā)动(dòng)机只提供额外(wài)飞行速度。而(ér)多旋翼(yì)需要安(ān)装与旋翼数相同(tóng)的(de)电机来提供升力,在飞行过程中(zhōng)完全没有办法借助空气动力。姿态变化,飞(fēi)行速度全部(bù)来自(zì)于机载动力(lì),自身能量消(xiāo)耗巨大,效率之(zhī)低令人(rén)发指。
这也是为什(shí)么在讨论(lùn)翼型时(shí)基本都是关于固定翼和(hé)直(zhí)升机的,多(duō)旋翼的定(dìng)距桨也就是谈一谈扭矩,旋翼尺寸和(hé)电(diàn)机(jī)选择方(fāng)面的(de)匹配罢(bà)了。
其次,在机动性方面(miàn),直升机型飞行器机动速(sù)度与(yǔ)飞行包络都明(míng)显优(yōu)于多旋翼飞行器,如果在机动过程中充分考虑直升机机身与主旋翼之间的(de)作用力耦合(hé),并在(zài)控(kòng)制算法中巧妙地加以利用则可以增强直升机的(de)机动性,降低(dī)能(néng)耗。但(dàn)对于多旋翼而(ér)言,机动过程既不美观也不经济。
最后(hòu),当多旋翼飞(fēi)行器“大型化”也就是Scale number(尺(chǐ)寸系数)上升后(hòu),意味着需要提供更(gèng)大的升力从而要求更大(dà)尺寸的(de)定距桨,这(zhè)不(bú)但面临着更(gèng)大动力模块(kuài)的(de)难题,同时众多大(dà)尺寸旋翼在一个平面中旋(xuán)转(zhuǎn)会(huì)使实际(jì)控制变更加困(kùn)难。
一(yī)句(jù)话:多(duō)旋翼飞行器使(shǐ)得飞行变得(dé)没(méi)品质。
任(rèn)何一(yī)种飞(fēi)行器(qì)结构(gòu)都必然存在自己优缺点,换句(jù)话(huà)说,留给(gěi)爱好者和(hé)设计者的空间是很大的,无人机在飞行器(qì)控制方(fāng)式和结构设计中蕴(yùn)藏着巨大的创(chuàng)新(xīn)潜(qián)力。相信(xìn)以后可(kě)以看(kàn)到越来越多奇妙、美丽、高效的飞行器设计结构。

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