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多旋翼型飞行器原理(lǐ)

 

1.什么是(shì)多(duō)旋翼

多旋翼(yì)飞行器是一类通过多个定距桨(螺(luó)旋桨)正反旋转(zhuǎn)与转(zhuǎn)速控制提供飞行器升力与飞(fēi)行器姿态调(diào)整。这样的定义方式使(shǐ)我们准确了解(jiě)多(duō)旋翼飞行器的(de)旋翼(yì)结构、升(shēng)力来(lái)源(yuán)、姿态控(kòng)制(zhì)方式。

2.多旋翼(yì)飞行器一般结构(gòu)

任何飞行器都可以分为三个部(bù)分(fèn):控(kòng)制器,执行器,反馈(kuì)环节。控(kòng)制器包括飞控,接收机;执行(háng)器(qì)包括电(diàn)调,直流电(diàn)机(jī),定距正反桨;反馈环节就是(shì)传(chuán)感系统,一般包(bāo)括两大(dà)类:飞行器(qì)姿态传感系统,外部环(huán)境感知系统(tǒng)。

3.多旋翼飞行器控制(zhì)原理

四旋翼飞(fēi)行(háng)器正反桨两两成对,分(fèn)别向不同(tóng)方向旋转,平衡扭矩并向(xiàng)旋翼“下方”推送气流。通过成(chéng)对变化(huà)定(dìng)距桨旋转速度(dù),调整入流量来实现飞行器姿态控制。

一般而言,四旋(xuán)翼(yì)飞(fēi)行器有两种飞行模式,上面介绍的是(shì)X型控制结构,也是当下使用较多的控制(zhì)方式。除此之外还(hái)有十字(zì)型,两者原理大同,细节小异。

至于八旋翼(yì),十六旋翼甚至更(gèng)多,都是通过(guò)成对正反桨平衡(héng)扭矩,提供升力(lì),调整(zhěng)姿态。

4.多旋翼(yì)飞行器特(tè)点

多(duō)旋(xuán)翼机型确(què)实降(jiàng)低了商品无人机的门槛。然而在很多飞行器设(shè)计师的眼中多旋翼(yì)飞行(háng)器是一个非常“奇怪”的存在,它的缺点实在非常多,却因同样具有(yǒu)非常鲜明的优点(diǎn)而成为当下无人机市场的宠儿。

优点

从飞行器操作者的角(jiǎo)度来看,多旋翼是(shì)完美(简单)的被控对(duì)象(虽(suī)然它还是非线性,非最小相位系统)。

多旋(xuán)翼(yì)飞行(háng)器(qì)可以(yǐ)很容易产生统一方向的气流推送,因此具备优(yōu)秀的VOTL能力与(yǔ)定点悬停能力,而这是一般固定翼飞机望尘莫及的。

同时对称的旋(xuán)翼布局使得其操控简单(dān)直接,姿态调整时只需(xū)成对改变旋翼转速,就(jiù)可(kě)提供非(fēi)常(cháng)“直(zhí)接”的(de)姿态力矩。而其它旋翼机则一般会有一个(gè)复杂(zá)的动力学过渡过程(chéng)(这样描述其实很不(bú)专业,却(què)比较容易理解),增(zēng)加了(le)炸鸡(jī)以及飞行器周围人员的风险(xiǎn),对操作者的控制要(yào)求提升了很(hěn)多。

而且多旋翼飞(fēi)行器(qì)的姿(zī)态变化(huà)方(fāng)式(shì)使得该机型直接采用定距桨(jiǎng),相比于直升机的变距桨(jiǎng)在机械设计结构,控制难度,实现(xiàn)成本,姿态(tài)平稳方面都有很大提(tí)升。

一句话:多旋(xuán)翼飞行器使得飞行(háng)变得简单

缺点

从飞行器设计者的角度来看多旋翼飞(fēi)行器(qì)却是—“无比丑陋”的。

首先,其气动效率非常糟(zāo)糕。固定翼是上帝为飞行生物设计的完美的飞行器结构。固定翼在(zài)空(kōng)中可(kě)以(yǐ)借助气流(liú)产生升力(lì),姿态变换通过“借力”实现(还是要有执行(háng)器控制相应的机械结(jié)构(gòu),但(dàn)省“力”很多(duō)),螺旋桨或者(zhě)喷(pēn)气(qì)发动(dòng)机只提供(gòng)额(é)外飞行速度。而多旋(xuán)翼(yì)需要(yào)安装与旋翼数相同(tóng)的电机来(lái)提供升力,在飞行过(guò)程中完全没有办法(fǎ)借助空(kōng)气动力。姿态变化,飞(fēi)行速度全部来自于机载动(dòng)力,自身能量消耗巨大,效率(lǜ)之低令(lìng)人发指。

这也是为什么在讨论翼型(xíng)时基(jī)本(běn)都是关于固定翼(yì)和(hé)直升机的,多旋翼的定距桨也就是谈一谈扭矩,旋翼尺寸和电机选择方面的匹配(pèi)罢了。

其次,在机动性方面,直升机型飞行器机动(dòng)速度与飞行包络都明显优于多旋翼飞行器,如(rú)果在机动过程中充分考虑直升机机(jī)身与(yǔ)主旋翼之间的作用(yòng)力耦合(hé),并在控制算法中巧(qiǎo)妙地加(jiā)以利用则(zé)可以增强直(zhí)升机的(de)机动性,降(jiàng)低(dī)能(néng)耗(hào)。但对于(yú)多旋翼而(ér)言,机动(dòng)过(guò)程既不美观也不经济。

最后,当多(duō)旋翼飞行器“大型化”也就是Scale number(尺寸系数)上升后,意味着需要提供更(gèng)大的升力从(cóng)而要(yào)求(qiú)更(gèng)大尺寸的定(dìng)距桨,这不但面临(lín)着更大动(dòng)力模块的(de)难题,同(tóng)时众多(duō)大尺寸旋(xuán)翼(yì)在(zài)一个平面(miàn)中旋转会使实际控制变更(gèng)加困难。

一句话:多旋翼飞(fēi)行(háng)器使得飞行变(biàn)得没品质。

任何(hé)一(yī)种飞行器(qì)结构都必然存(cún)在自己优(yōu)缺点(diǎn),换句话(huà)说(shuō),留(liú)给爱(ài)好者和(hé)设计者的空间是很大的,无(wú)人机在飞行器控制方式和结构设计中蕴(yùn)藏(cáng)着巨大的创新(xīn)潜力。相信以后可以看(kàn)到越来越多奇(qí)妙、美丽、高效的飞行器设(shè)计结构。

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