四旋翼飞行器

微型四旋翼 2020 2 12 2020 2 12 小牛顿科学馆 有哪位同学能够说一下生活当中我们都看到过哪些飞行器 欣赏一段四轴飞行器的视频 小牛顿科学馆 早期的四旋翼飞行器 2020 2 12 2020 2 12 四旋翼飞行器最早诞生于上世纪初的欧洲 在公元1907年的法国 第一个载人的四旋翼飞行器由Breguet兄弟设计并制作了出来 被命名为GyroplaneNo 1 其起飞时候需要大量人员的协助 且飞行控制的稳定性并不是很理想 且体积庞大 功能极其有限 四旋翼飞行器的发展经历了载人到无人 遥控到自主飞行的过程 结构也在向小型化的方向发展 功能也在不断的增强 上世纪初到上世纪中叶 四旋翼飞行器的主要以载人为主 公元1958年美国飞行器设计师FrankNicholasPiasecki为美国海军设计了一架可以在核潜艇上起降的四旋翼飞行器 它是第一架无人控制四旋翼飞行器 随着科技的不断进步 微电子机械系统 嵌入式系统的蓬勃发展 以及传感器技术的广泛应用 他们和四旋翼飞行器技术相结合 使得四旋翼飞行器在各领域的应用越来越广泛 小牛顿科学馆 小牛顿科学馆 2020 2 12 现代四轴飞行器 2020 2 12 多轴飞行器机架机架是一个多轴飞行器的核心 几乎所有的配件都与它直接相连 机架可以由很多不同的材料构成 例如木头 塑料 金属 铝 玻璃纤维 碳纤维等其他材料 所有的配件会用螺丝或者扎带被固定在机架上 而且偶尔会把弹性泡沫塑料或者类似的填充物固定在机架上以减少外界因素对机架的冲击 起到缓冲的作用 小牛顿科学馆 2020 2 12 小牛顿科学馆 多轴飞行器模型是如何被定义的 多轴飞行器的定义元素主要是两方面 一是电机的数目 这定义了旋翼数的多少N 二是机架翅膀 轴 的数目M 这定义了飞行器是M轴飞行器 我们一般对一个飞行器称之为M轴N桨飞行器 二旋翼 三旋翼机一般有两个轴在飞机正向 一个轴在飞机负向 所以机身看起来应该是T型或者Y型 负向的电机通过自身的旋转来调整飞机固定在某个航向上 三旋翼通常比两旋翼更好控制 也上升的快一些 但是并不显著 当然 如果电机停止运转 那么飞机必将坠毁 但这类模型相对比较敏捷 四旋翼比三旋翼负重更多 也更容易组建 因为四旋翼不需要独立的旋翼来控制单一的参数 它们更稳定 并且飞行时间更长 因为你可以承载更大的电池 四旋翼通过减少其中两个电机的转速来实现横滚 而另外两个电机就可以控制整个飞机的航向了 四轴分为正反桨 顺时针转风向向下的为正桨 逆时针转风向向下的为反桨 小牛顿科学馆 输电线路巡查 微型飞行器的用途 2015 5 7 在国民经济中 可用于航空摄影 地质勘探 气象探测 环境监控 化学取样 灾情救护等 环境监测 无人快递 空中航拍 小牛顿科学馆 2020 2 12 在军事方面 除了可以完成侦查任务外 还可用于通信联系 电磁干扰 战地检测 目标攻击 边境巡逻等 小牛顿科学馆 用于建筑物内勘测 2020 2 12 小牛顿科学馆 随着MEMS技术的发展 四旋翼飞行器得以小型化 微型化 2020 2 12 小牛顿科学馆 固定翼型微飞行器 扑翼型微飞行器 旋翼型微飞行器 微型飞行器种类 2020 2 12 小牛顿科学馆 德国crazy开源微型四旋翼 国内某大学微型四旋翼飞行器 2020 2 12 小牛顿科学馆 多智能体集群协作 空中壁障 2020 2 12 小牛顿科学馆 设计要求 微小型飞行器由于体积小 载荷低等特点 与普通工业产品相比 对控制系统的硬件设计要求较高 有以下几个方面要求 1 要满足控制系统的性能要求 2 要集成度要高 尺寸小 能够安装在狭小的平台空间上 3 要可靠性高 持续稳定工作时间长 4 要功耗低 重量轻 保证飞行器具有较大的巡航时间 5 飞行器控制系统要求要有良好的扩展性 方便日后系统的升级和新功能的扩展 2020 2 12 小牛顿科学馆 PCB设计 2020 2 12 四轴飞行器的基本运动原理 垂直运动 因有两对电机转向相反 可以平衡其对机身的反扭矩 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 四轴飞行器的基本运动原理 俯仰运动 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转速改变量的大小应相等 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 四轴飞行器的基本运动原理 滚转运动 与俯仰运动的原理相同 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 则可使机身绕x轴旋转 正向和反向 实现飞行器的滚转运动 四轴飞行器的基本运动原理 偏航运动 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 旋翼转动过程中由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 实现飞行器的偏航运动 转向与电机1 电机3的转向相反 因为电机的总升力不变 飞机不会发会垂直运动 四轴飞行器的基本运动原理 前后运动 要想实现飞行器在水平面内前后 左右的运动 必须在水平面内对飞行器施加一定的力 在图 e 中 增加电机3转速 使拉力增大 相应减小电机1转速 使拉力减小 同时保持其它两个电机转速不变 反扭矩仍然要保持平衡 按图 b 的理论 飞行器首先发生一定程度的倾斜 从而使旋翼拉力产生水平分量 因此可以实现飞行器的前飞运动 向后飞行与向前飞行正好相反 当然在图 b 图 c 中 飞行器在产生俯仰 翻滚运动的同时也会产生沿x y轴的水平运动 四轴飞行器的基本运动原理 侧向运动 在图 f 中 由于结构对称 所以侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样 飞行器结构原理 发射机 接收机多轴航模属于遥控设备 所以你需要一个遥控器 它应该至少有4通道 包括油门 横滚 俯仰 偏摆 也就是油门加XYZ轴的移动 更多的通道更有利于操控 比如自稳飞行 打开 关闭灯光等等 2020 2 12 小牛顿科学馆 机架机架定义的飞机的基本外观以及飞机的大小 飞行控制器 飞控 这是多轴的核心 有很多品牌和价位可以选择 电子速度控制器 电调 飞机的控制器 调节和管理模型的速度 电池模型和其他电子原件需要供能 大多数人使用锂电池 因为相对于其他电池电荷密度最高 电机 马达多轴飞行器多选用无刷电机 配合螺旋桨能够让飞机在空中运动 螺旋桨这些是最容易受损的配件了 也是模型必不可少的 其他配件永远装不完 你可能会想要加个图传来实现第一人称视角 FPV 飞行 也可能想加一个摄像头来实现航拍 或者加点灯光 GPS以及任何你可以想象到的东西 四轴飞行器电池使用 锂聚电池激活方式如下 1 买来的新电池先充满电 单片电压在4 16V 4 2V之间不超过4 23V 2 然后把充好的电池放电到3 95 4V之间 这个过程尽量用中小电流放电 有些充电器有这个放电功能 一般模友没有中高档的充电器 可以用上机悬停的方式来放电 一般悬停1分钟到1分半 基本就能达到4V左右的放电要求 根据每人飞机不同 3 然后按照上面的步骤再来2次 一共做3次充 放电循环 就基本能达到激活电池的要求了 平时维护方法 5个 不 1 不过充 锂聚电池充电的时候一定要有人照看 当发现充电时间过长时 要人工检查充电器是否出现故障 如果出现故障要尽快拔掉电池 否则锂聚电池过充的话 轻则影响电池寿命 重则直接出现爆炸起火 2 不过放 电池的放电曲线表明 刚开始放电时 电压下降比较快 但放电到3 9 3 7V之间 电压下降不快 因此 飞完后检查 即便是同样的3 7V 放电容量是不一样的 有些人因为电池较少 所以每次飞都会过放 这样的电池很短命 方法是 每次少飞一分钟 寿命就多飞一个循环 宁可电池多买两块 也不要每次把电池飞到超过容量极限 3 不满电保存 这个原则 很多人会忽视 充满电的电池 不能满电保存超过3天 如果超过一个星期不放掉 有些电池就直接鼓包了 有些电池可能暂时不会鼓 但几次满电保存后 电池会直接挂掉 因此 正确的方式是 准备飞之前才充电 如果因各种原因没飞 也要在充满后3天内找时间把电池放电到3 9V 4 不损坏外皮 电池的外皮是防止电池爆炸和漏液起火的重要结构 锂聚电池的铝塑外皮破损将会直接导致电池起火或爆炸 5 不短路 这种情况往往发生在电池焊线维护和运输过程中 短路会直接导致电池打火或者起火爆炸 当发现电池出现断线需要重新焊线时 特别要注意电烙铁不要同时接触电池的正极和负极 另外在去飞场运输电池的过程中 最好的办法是 每个电池都单独套上自封袋 防止因运输过程中 因颠簸