《多旋翼飞行器DIY入门与实践》课件-第2章

第2章多旋翼飞行器的飞行原理和组成第2章多旋翼飞行器的飞行原理和组成2.1多旋翼飞行器的飞行原理2.2多旋翼飞行器的基本组成2.1多旋翼飞行器的飞行原理2.1.1多旋翼飞行器坐标系2.1.2四旋翼飞行器的工作原理2.1.1多旋翼飞行器坐标系1．地理坐标系

地理坐标系E用于研究多旋翼飞行器相对于地面的运动状态，确定机体的空间位置坐标，如图2-1所示。

地理坐标系的原点O为多旋翼飞行器的起飞点，OX轴指向地球东向，OY轴指向地球北向，OZ轴由右手准则确定，垂直于地平面向上，飞行器的位置(X,Y,Z)即为飞行器重心相对于地理坐标系的坐标值。图2-1地理坐标系2.1.1多旋翼飞行器坐标系2．机体坐标系

机体坐标系B固定在机体上，其原点与多旋翼飞行器的重心重合。根据机体坐标系与机臂的相对方向不同，飞行器的飞行模式一般可分为十字模式和X字模式。如图2-2、图2-3所示。图2-2十字模式

图2-3X模式2.1.1多旋翼飞行器坐标系2．机体坐标系

在十字模式中，机体坐标系原点o位于机臂交叉中心，x轴和y轴与机臂重合，z轴垂直于机体平面指向飞行上方，如图2-4(a)所示；将十字模式机体坐标系绕z轴旋转45º，即得到X字模式机体坐标系，如图2-4(b)所示。图2-4机体坐标系2.1.2四旋翼飞行器的工作原理

四旋翼飞行器的运动状态主要通过机体坐标系oxyz中x轴、y轴、z轴上的平动和绕x轴、y轴、z轴的转动来描述。其中，绕机体坐标系oxyz中x轴、y轴、z轴的转动分别称为横滚运动、俯仰运动和偏航运动，转动角分别称为横滚角、俯仰角和偏航角；沿机体坐标系oxyz中x轴、y轴、z轴方向上的平动分别称为前后运动、左右运动和升降运动。

以十字模式为例，说明四旋翼飞行器的飞行原理。假设在各个运动状态中，电动机1和电动机3作逆时针旋转，电动机2和电动机4作顺时针旋转，规定沿x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电动机转速提高，在下方表示此电动机转速下降。2.1.2四旋翼飞行器的工作原理1．垂直运动

垂直运动，即升降控制。十字模式下四旋翼飞行器垂直运动示意图如图2-5所示。

在图2-5中，因有两对电动机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电动机的输出功率，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，同时减小四个电动机的输出功率，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。图2-5垂直运动示意图2.1.2四旋翼飞行器的工作原理2．俯仰运动

在图2-6中，电动机1的转速上升，电动机3的转速下降，电动机2、电动机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，同理，当电动机1的转速下降，电动机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。图2-6俯仰运动示意图2.1.2四旋翼飞行器的工作原理3．横滚运动

与图2-6的原理相同，在图2-7中，改变电动机2和电动机4的转速，保持电动机1和电动机3的转速不变，则可使机身绕X轴旋转（正向和反向），实现飞行器的横滚运动。图2-7横滚运动示意图2.1.2四旋翼飞行器的工作原理4．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。在图2-8中，当电动机1和电动机3的转速上升，电动机2和电动机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，转向与电动机1、电动机3的转向相反。图2-8偏航运动示意图2.1.2四旋翼飞行器的工作原理5．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2-9中，增加电动机3转速，使拉力增大，相应减小电动机1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电动机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。

按图2-6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。图2-9前后运动示意图2.1.2四旋翼飞行器的工作原理6．左右运动

在图2-10中，增加电动机4转速，使拉力增大，相应减小电动机2转速，使拉力减小，同时保持其它两个电动机转速不变，可以实现飞行器的左飞运动。向右飞行与向左飞行正好相反。图2-10左右运动示意图2.1.2四旋翼飞行器的工作原理飞行方向1号旋翼2号旋翼3号旋翼4号旋翼上升等量增大等量增大等量增大等量增大下降等量减小等量减小等量减小等量减小前飞等量减小不变等量增大不变后飞等量增大不变等量减小不变左飞不变等量减小不变等量增大右飞不变等量增大不变等量减小左旋转等量减小等量增大等量减小等量增大右旋转等量增大等量减小等量增大等量减小表2-1四旋翼飞行器四轴的运动与四个旋翼的关系2.2多旋翼飞行器的基本组成2.2.1机架2.2.2电动机2.2.3电子调速器2.2.4螺旋桨2.2.5电池2.2.6遥控系统2.2.7飞行控制系统2.2.1机架

机架是指多旋翼飞行器的机身架，是整个飞行系统的飞行载体，所有的部件和设备都要安装在机架上面。机架下方安装有起落架，用于支撑全机重量，避免螺旋桨离地太近而发生触碰，以及消耗和吸收多旋翼飞行器在着陆时的撞击能量。图2-11机架2.2.1机架机架的主要作用如下：（1）提供安装接口。（2）提供整体的稳定和坚固的平台。（3）安装起落架等缓冲装备。（4）提供相应的保护装置。

图2-12所示为微型四旋翼飞行器。由于微型四旋翼飞行器对重量的要求较高，机架通常可以直接用自身的PCB电路板充当，或者是用碳纤维、工程塑料等比较轻且比较坚固的材料加上比较小的PCB电路板构成。图2-12微型四旋翼飞行器2.2.2电动机

电动机是多旋翼飞行器的主要动力来源，同时也跟飞行器的飞行姿态密切相关。电动机的转速快慢决定了飞行器可以承载的重量，同时，其转速改变的快慢可以影响飞行器姿态的变换。在整个飞行系统中，电动机起到提供动力的作用。

多旋翼飞行器主要使用直流无刷电动机。图2-13电动机2.2.3电子调速器

电子调速器（电调），英文ElectronicSpeedController，简称ESC。在整个飞行系统中，电子调速器主要提供驱动电动机的指令，来控制电动机，完成规定的速度和动作等。图2-14电子调速器2.2.4螺旋桨

在多旋翼飞行器的动力系统中，螺旋桨是非常重要的部件之一。螺旋桨通过自身旋转，将电动机转动功率转化为飞行器上升的动力。在整个飞行系统中，螺旋桨主要起到提供飞行所需的动能。

螺旋桨一般采用碳纤维、尼龙塑料或木头作为原材料。图2-15螺旋桨2.2.5电池

电池是将化学能转化成电能的装置。在整个飞行系统中，电池作为能源储备，为整个动力系统和其他电子设备提供电力来源。

目前在多旋翼飞行器上，一般采用普通锂聚合物电池或者智能锂电池等。图2-16电池2.2.6遥控系统

遥控系统由发射机和接收机组成，是整个飞行系统的无线电遥控设备（英文RadioControl简称RC）。

无线电遥控设备是多旋翼飞行器系统中的关键部分，它可以在需要的情况下通过手动的方式来控制飞行器。一个无线电遥控系统包含一个发射机（就是手里拿着的遥控器)，发射机上有操纵杆和按键，通过它们来控制飞行器。图2-17遥控系统2.2.7飞行控制系统

飞行控制系统可视为多旋翼飞行器的大脑，它处理所有采集到的信息并发送相关的指令给电动机和控制舵面，以执行特定的动作。