四旋翼飛行器

四旋翼飛行器簡介

　　四旋翼飛行器也稱為四旋翼直升機，是一種有4個螺旋槳且螺旋槳呈十字形交叉的飛行器，可以搭配微型相機錄制空中視頻。在大學里，一些對四旋翼直升機感興趣的大學生將數學算法運用到機器當中，創造出了極富智能的四旋翼直升機，TED講壇中有所詮釋。

　　結構框架

　　四旋翼飛行器采用四個旋翼作為飛行的直接動力源，旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結構和半徑都相同，旋翼1 和旋翼3 逆時針旋轉，旋翼2 和旋翼4 順時針旋轉，四個電機對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計算機和外部設備。

四旋翼飛行器百科

　　四旋翼飛行器也稱為四旋翼直升機，是一種有4個螺旋槳且螺旋槳呈十字形交叉的飛行器，可以搭配微型相機錄制空中視頻。在大學里，一些對四旋翼直升機感興趣的大學生將數學算法運用到機器當中，創造出了極富智能的四旋翼直升機，TED講壇中有所詮釋。

　　結構框架

　　四旋翼飛行器采用四個旋翼作為飛行的直接動力源，旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結構和半徑都相同，旋翼1 和旋翼3 逆時針旋轉，旋翼2 和旋翼4 順時針旋轉，四個電機對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計算機和外部設備。

　　典型的傳統直升機配備有一個主轉子和一個尾漿。他們是通過控制舵機來改變螺旋槳的槳距角，從而控制直升機的姿態和位置。四旋翼飛行器與此不同，是通過調節四個電機轉速來改變旋翼轉速，實現升力的變化，從而控制飛行器的姿態和位置。由于飛行器是通過改變旋翼轉速實現升力變化，這樣會導致其動力不穩定，所以需要一種能夠長期確保穩定的控制方法。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直起降機，因此非常適合靜態和準靜態條件下飛行。但是四旋翼飛行器只有四個輸入力，同時卻有六個狀態輸出，所以它又是一種欠驅動系統。

　　四旋翼飛行器的結構形式如圖1所示，電機1 和電機3 逆時針旋轉的同時，電機2 和電機4 順時針旋轉，因此當飛行器平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。與傳統的直升機相比，四旋翼飛行器有下列優勢：各個旋翼對機身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉方向相反，因此當電機1 和電機3 逆時針旋轉的同時，電機2 和電機4 順時針旋轉，可以平衡旋翼對機身的反扭矩。

　　內部設計

　　控制航行姿態的依據就是航姿傳感器輸出的信號。航姿傳感器至少包括傾角傳感器和角速度傳感器。而傾角傳感器可以利用三軸加速度傳感器間接實現。既然是加速度傳感器，那么它輸出的信號表征的是當前三個軸向的加速度值，如果飛行器在空間中保持靜止，那么加速度值通過簡單的換算就可以得到真實的傾角參數。

　　但是飛行器在空間中是不可能時刻保持靜止不動的，譬如在側風的影響下，飛行器可能會向某一個方向偏離，那么此時即使飛行器確實保持水平，但三軸加速度傳感器的輸出仍會偏離中心值，造成控制核心的誤判。

　　為避免這種情況的出現，則需要引入三軸角速度傳感器和超聲測距儀，利用三個軸向上的角速度和Z軸方向上的加速度以及實時高度的變化率對X、Y軸方向上的加速度進行校正，從而得出真實的傾角信息。傳感器的輸出信號經過模擬放大和模擬濾波之后送入AD變換電路轉換為數字信號送入MCU（Microprocessor Control Unit ），由MCU進行包括但不僅限于kalman濾波等的數字信號處理，再依據MCU中的整套航姿控制算法得出控制量，送入專司電機控制的MCU中對電機進行實時控制，同時要避免各傳感器間結果的沖突乃至矛盾。

　　工作原理

　　四旋翼飛行器通過調節四個電機轉速來改變旋翼轉速，實現升力的變化，從而控制飛行器的姿態和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機，但只有四個輸入力，同時卻有六個狀態輸出，所以它又是一種欠驅動系統。

　　四旋翼飛行器的電機 1和電機 3逆時針旋轉的同時，電機 2和電機 4順時針旋轉，因此當飛行器平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。

　　在上圖中，電機 1和電機 3作逆時針旋轉，電機 2和電機 4作順時針旋轉，規定沿 x軸正方向運動稱為向前運動，箭頭在旋翼的運動平面上方表示此電機轉速提高，在下方表示此電機轉速下降。

　?。?）垂直運動：同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉速增加使得總的拉力增大，當總拉力足以克服整機的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時減小四個電機的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實現了沿 z軸的垂直運動。當外界擾動量為零時，在旋翼產生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態。

　?。?）俯仰運動：在圖（b）中，電機 1的轉速上升，電機 3 的轉速下降（改變量大小應相等），電機 2、電機 4 的轉速保持不變。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，產生的不平衡力矩使機身繞 y 軸旋轉，同理，當電機 1 的轉速下降，電機 3的轉速上升，機身便繞y軸向另一個方向旋轉，實現飛行器的俯仰運動。

　?。?）滾轉運動：與圖 b 的原理相同，在圖 c 中，改變電機 2和電機 4的轉速，保持電機1和電機 3的轉速不變，則可使機身繞 x 軸旋轉（正向和反向），實現飛行器的滾轉運動。

　?。?）偏航運動：旋翼轉動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉，兩個反轉，且對角線上的各個旋翼轉動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉速有關，當四個電機轉速相同時，四個旋翼產生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發生轉動；當四個電機轉速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉動。在圖 d中，當電機 1和電機 3 的轉速上升，電機 2 和電機 4 的轉速下降時，旋翼 1和旋翼3對機身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在富余反扭矩的作用下繞 z軸轉動，實現飛行器的偏航運動，轉向與電機 1、電機3的轉向相反。

　?。?）前后運動：要想實現飛行器在水平面內前后、左右的運動，必須在水平面內對飛行器施加一定的力。在圖 e中，增加電機 3轉速，使拉力增大，相應減小電機 1轉速，使拉力減小，同時保持其它兩個電機轉速不變，反扭矩仍然要保持平衡。按圖 b的理論，飛行器首先發生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產生水平分量，因此可以實現飛行器的前飛運動。向后飛行與向前飛行正好相反。（在圖 b 圖 c中，飛行器在產生俯仰、翻滾運動的同時也會產生沿 x、y軸的水平運動。）

　?。?）傾向運動：在圖 f 中，由于結構對稱，所以傾向飛行的工作原理與前后運動完全一樣。