四旋翼飞行器

四旋翼飞行器制作资料信息整理 山东农业大学 1 2 四旋翼飞行器 四旋翼飞行器的概念 四旋翼飞行器就是一种具有四个螺旋桨的飞行器并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构 相对的四旋翼具有相同的旋转方向 分两组 两组的旋转方向不同 飞行器也通过控制这两组螺旋桨的转速与转向产生不同的升力实现上下前后左右的六个方向飞行的航模模型 四旋翼飞行器的组成 电机电调螺旋桨飞控板锂电池遥控器 六通控制 个四轴机架基本线路连接 2 2 四旋翼飞行器的结构形式 四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源 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 旋翼1和旋翼3逆时针旋转 旋翼2和旋翼4顺时针旋转 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 四旋翼飞行器的结构形式如图所示 3 2020 4 21 四旋翼飞行器的飞行原理 四旋翼飞行器是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由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化 这样会导致其动力部稳定 所以需要一种能够长期保稳定的控制方法 四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机 因此非常适合静态和准静态条件下飞行 但是四旋翼飞行器只有四个输入力 同时却有六个状态输出 所以它又是一种欠驱动系统 与传统的直升机相比 四旋翼飞行器有下列优势 各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反 因此当电机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 可以平衡旋翼对机身的反扭矩 4 2020 4 21 四旋翼飞行器在空间共有6个自由度 分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作 这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现 基本运动状态分别是 垂直运动俯仰运动滚转运动偏航运动前后运动和侧向运动 5 2020 4 21 垂直运动 在图 a 中 因有两对电机转向相反 可以平衡其对机身的反扭矩 当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 保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键 6 2020 4 21 俯仰运动 在图 b 中 电机1的转速上升 电机3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 也就是说通过这实现了四轴飞行器的翻转 7 2020 4 21 滚转运动 滚转运动与俯仰运动一样 同样是为了实现四轴飞行器的翻转 只不过俯仰运动改变的是电机1 3的转速 保持电机2 4的转速不变 使得四轴飞行器绕y轴进行旋转 而滚转运动则是改变电机2 4的转速 保持电机1 3转速不变 使四轴飞行器绕x轴进行旋转 原理如图 c 示 看视频请点这 8 2020 4 21 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 且对角线上的来年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 原理如图 d 示 9 2020 4 21 前后运动与侧向运动 要想实现飞行器在水平面内前后 左右的运动 必须在水平电机转速不变 反扭矩仍然要保持平衡 按图b的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 10 2020 4 21 时也会产生沿x y轴的水平运动 同理 根据四轴飞行器前后运动的工作原理 将飞行器x y轴上的电机的工作状态进行互换便可以实现飞行器侧向运动 原理图如图 f 所示 11 2020 4 21 电机 电机也就是马达 可以说电机是四旋翼飞行器的基础配件之一 电机分为有刷和无刷两种 在四轴飞行器中无刷是主流 因为它力气大且耐用 接下来说一下电机的基本型号数据 不管什么牌子的电机 具体都要对应4位这类数字如2212电机什么的 其中前面2位是电机转子的直径 后面2位是电机转子的高度 简单来说 前面2位越大 电机越肥 后面2位越大 电机越高 又高又大的电机 功率就更大 适合做大四轴 另外 每个无刷电机都会标准多少kv值 这个kv是外加1v电压对应的每分钟空转转速 例如 1000kv电机 外加1v电压 电机空转时每分钟转100加2v电压 电机空转就2000转了 一般来说 做普通的四轴飞行器用的电机可以采用2212系列 KV930 1000的无刷电机 一般品牌可选朗宇 新西达等等 12 2020 4 21 电调 电调都会标上多少A 如20a电调就是电子调速器 常见有好盈 中特威 新西达等品牌 电调的作用就是将飞控板的控制信号 转变为电流的大小 以控制电机的转速 因为电机的电流是很大的 通常每个电机同时正常工作时 平均有3a左右的电流 如果没有电调的存在 飞控板根本无法承受这样大的电流 另外也没驱动无刷电机的功能 同时电调在四轴当中还充当了电压变化器的作用 将11 1v的电压变为5v为飞控板和遥控器供电 40a这个数字就是电调能够提供的电流 大电流的电调可以兼容用在小电流的地方 小电流电调不能超标使用 13 2020 4 21 此外 其实大多数常见电调是可以编程的 能通过编程来设置响应速度 编程的途径可以直接将电调连接至遥控接收机的油门输出通道 通常是3通道 按说明书 在遥控器上通过进行设置 这个方法比较麻烦 但节约 另外 还可搬动摇杆以通过厂家的编程卡来进行设置 需要单独购买 方法简单 无需接遥控器 为了保险 一定要将购买的电调设置一致 否则容易难于控制 如 电调的启动模式不一样 那么有些都转很快了 有些还很慢 这就有问题了 注 通过遥控器进行设置电调 一定要接上电机 因为说明书上说的 滴滴 类的声音 是通过电机发出来的 新西达电调编程教程文档 XAircraftFC1212 S使用普通电调设置方法与油门校准视频 14 2020 4 21 螺旋桨 螺旋桨一般有两叶和三叶两种类型 但在四轴飞行器中一把采用双叶螺旋桨 虽然说在相同转速下 三叶桨要比双叶桨产生的升力大 但是四轴要用四个螺旋桨 这样双叶桨要比三页桨容易保持稳定 而在四旋翼飞行器的制作中入门选用的螺旋桨的型号有仿apc桨1045 同电机类似 桨的型号也有1045 7040这些4位数字 前面2位代表桨的直径 单位 英寸1英寸 254毫米 后面2位是桨的角度 另外 四轴飞行为了抵消螺旋桨的自旋 相隔的桨旋转方向是不一样的 所以需要正反桨 正反桨的风都向下吹 适合顺时针旋转的叫正浆 适合逆时针旋转的是反浆 安装的时候 一定记得无论正反桨 有字的一面是向上的 桨叶圆润的一面要和电机旋转方向一致 15 2020 4 21 飞控板 飞控板就是飞行器的大脑 如果没有飞控板 四轴飞行器就会因为安装 外界干扰 零件之间的不一致型等原因形成飞行力量不平衡 后果就是左右 上下的胡乱翻滚 根本无法飞行 飞控板的作用就是通过飞控板上的陀螺仪 对四轴飞行状态进行快速调整 如发现右边力量大 向左倾斜 那么就减弱右边电流输出 电机变慢 升力变小 自然就不再向左倾斜 关于飞控板 我们首先要做事是了解它的构造 接下来配上两种型号的飞控板构造的图解 kk飞控板APM飞控板 16 2020 4 21 在入门时往往会有人选择这两种模式 x 模式和 模式 X模式要难飞一点 但动作更灵活 模式要好飞一点 动作灵活差一点 所以适合初学者 当然 选择不同的飞行模式 飞控板的安装方式也不同 如果飞控板安装错误 会剧烈的晃动 根本无法飞 说到底 飞控板其实就是一块单片机 当然不同的飞行模式 其中便携的飞行程序也不尽相同 飞控板单片机里可以输入有关飞行调节 GPS导航等飞行相关的程序 然后通过连接好接收器 电调等输出设备从而实现接收信号 遥控器的信号 数据处理 输出信号 调节输出电流进而实现对电机的控制 三步骤 X模式电机连接图 17 2020 4 21 接下来再附一张APM飞控板的图片 kk飞控板的安装调试教学视频 18 2020 4 21 遥控器 在航模的遥控器中 可选用的型号一般是天地飞系列的遥控器 买遥控器需要注意以下几点 通道数 遥控器控制的动作路数 比如遥控器只能控制四轴上下飞 那么就是1个通道 但四轴在控制过程中需要控制的动作路数有 上下 左右 前后 旋转所以最低得4通道遥控器 频率 选择2 4G左右的 也就是天线短的那种 2 4G是主流 稳定性好 也很成熟 美国手 日本手 大多数遥控器都会有美国手 左手控制油门 和日本手 右手控制油门 之分 根据一般人的控制方式 往往选择美国手 遥控距离 可能是新人最关心的东西 一般都会在400米以上 但是等你发现你的四轴飞了超过100米远后 你就看不清它的姿态了 所以盲目追求遥控距离是不可取的 19 2020 4 21 电池 考虑到四旋翼飞行器质轻高飞的特点 所以在选用电池时往往选择锂电池 因为同样电池容量锂电最轻 起飞效率最高 另外 电池的多少mah表示电池容量 如1000mah电池 如果以1000ma放电 可持续放电1小时 如果以500mh放电 可以持续放电2小时 电池后面的2s 3s 4s代表锂电池的节数 锂电池1节标准电压为3 7v 电池后面多少c代表电池放电能力 这是普通锂电池和动力锂电池最重要区别 动力锂电池需要很大电流放电 这个放电能力就是C来表示的 如1000mah电池标准为5c 那么用5x1000mah 得出电池可以以5000mh的电流强度放电 这很重要 如果用低c的电池 大电流放电 电池会迅速损坏 甚至自燃 电池的充电往往会有多少c快充的字眼 它代表的意思与上面的c一样 只是将放电变成了充电 如1000mah电池 2c快充 就代表可以用2000ma的电流来充电 所以千万不要图快冒然用大电流 超过规定参数充电 电池很容易损坏 还有就是电池容量越大 c越高 s越多 电池越重 20 2020 4 21 我们制作四旋翼飞行器可以选择型号2200mah11 1V20C的锂电池 因为这个型号的电池 放电能力可达到44A 也就是2 2A 20C 44A 而我们四轴的悬停功率大概在100多瓦 足够了 当然说到电池 就不得不说说充电器 锂电池充电需要使用专门的平衡充 新手入门 可以使用 301平衡充 什么是平衡充电呢 如3s电池 内部是3个锂电池 因为制造工艺原因 没办法保证每个电池完全一致 充电放电特性都有差异 电池串联的情况下 就容易照常某些放电过度或充电过度 充电不饱满等 所以解决办法是分别对内部单节电池充电 动力锂电都有2组线 1组是输出线 2根 1组是单节锂电引出线 与s数有关 充电时按说明书 都插入充电器内 就可以进行平衡充电了 锂电池充电器 21 2020 4 21 个四轴机架 说的也就是机架 几家可以买 也可以自己制作 若要自己制作 可以选用的材料是铝管 木条 PVC硬质水管等质轻且可塑性好的材料 总而言之 做四轴飞行器的机架 必须要符合飞行器的结构基础 能够保持对称稳定性 另外需要注意的是四根轴架的尺寸长度 不过只要保证4个螺旋桨不打架就可以了 但要考虑到螺旋桨之间因为旋转产生的乱流互相影响 建议还是不要太近 否则影响效率 这也是为什么四轴用2叶螺旋桨比用3叶螺旋桨多的原因之一 3叶的还有个缺点 平衡不好做 22 2020 4 21 基本线路连接 四轴零件之间的接线与简单说明 1 4个电调的正负极需要并联 红色连一起 黑色连1一起 并接到电池的正负极上 2 电调3根黑色的电机控制线 连接电机 3 电调有个BEC输出 用于输出5v的电压 给飞行控制板供电 和接收飞行控制板的控制信号 4 遥控接收器连接在飞行控制器上 输出遥控信号 并同时从飞行控制板上得到5v供电 电机与螺旋桨的搭配 螺旋桨越大 升力就越大 但对应需要更大的力量来驱动 螺旋桨转速越高 升力越大 电机的kv越小 转动力量就