多旋翼無人機的飛行控制二

1、 多旋翼無人機的飛行控制一、多旋翼無人機的飛行控制一、多旋翼無人機的飛行控制 多旋翼無人機的螺旋槳也會產(chǎn)生這樣的反扭矩，使無多旋翼無人機的螺旋槳也會產(chǎn)生這樣的反扭矩，使無人機瘋狂自旋。為克服旋翼旋轉(zhuǎn)時的反作用力矩問題，多人機瘋狂自旋。為克服旋翼旋轉(zhuǎn)時的反作用力矩問題，多旋翼無人機旋翼無人機讓多個旋翼按照不同方式轉(zhuǎn)動讓多個旋翼按照不同方式轉(zhuǎn)動，來克服彼此之，來克服彼此之間的反扭矩，間的反扭矩，使總扭矩為使總扭矩為0。 在在四旋翼無人機四旋翼無人機中，中，相鄰的兩個相鄰的兩個螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向是相反的螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向是相反的。如右圖所。如右圖所示，三角形紅箭頭表示飛機的機頭朝示，三角形紅箭頭表示飛機的機

2、頭朝向，螺旋槳向，螺旋槳m1、m3的旋轉(zhuǎn)方向為逆的旋轉(zhuǎn)方向為逆時針，螺旋槳時針，螺旋槳m2、m4的旋轉(zhuǎn)方向為的旋轉(zhuǎn)方向為順時針。當飛行時，順時針。當飛行時，m2、m4所產(chǎn)生所產(chǎn)生的逆時針反作用力（反扭矩）和的逆時針反作用力（反扭矩）和m1、m3產(chǎn)生的順時針反作用力（反扭矩）產(chǎn)生的順時針反作用力（反扭矩）相抵消，飛機機身就可以保持穩(wěn)定，相抵消，飛機機身就可以保持穩(wěn)定，不會像不會像“大雄大雄“那樣那樣“瘋狂瘋狂”自轉(zhuǎn)了。自轉(zhuǎn)了。一、多旋翼無人機的飛行控制一、多旋翼無人機的飛行控制 不僅如此，多軸飛機的前后左右或是旋轉(zhuǎn)飛行的也不僅如此，多軸飛機的前后左右或是旋轉(zhuǎn)飛行的也都是靠多個螺旋槳的都是靠多個螺

3、旋槳的轉(zhuǎn)速控制轉(zhuǎn)速控制來實現(xiàn)的。四旋翼無人機就來實現(xiàn)的。四旋翼無人機就是通過調(diào)節(jié)四個電機轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)升力的變是通過調(diào)節(jié)四個電機轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。一、多旋翼無人機的飛行控制一、多旋翼無人機的飛行控制 1、垂直運動：同時增加四個電機的輸出功率同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當總拉力足以克服克服整機的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升垂直上升；反之，同時減小四同時減小四個電機的輸出功率個電機的輸出功率，四旋翼飛行器則垂垂直下降直下降，直至平衡落地，實現(xiàn)了沿 z軸的垂直運動。當外界擾動量

4、為零時，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態(tài)。一、多旋翼無人機的飛行控制一、多旋翼無人機的飛行控制 2、俯仰運動：在右圖中，電機 1的轉(zhuǎn)速上升，電機 3 的轉(zhuǎn)速下降（改變量大小應(yīng)相等），電機 2、電機 4 的轉(zhuǎn)速保持不變。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機身繞 y 軸旋轉(zhuǎn)，同理，當電機 1 的轉(zhuǎn)速下降，電機 3的轉(zhuǎn)速上升，機身便繞y軸向另一個方向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)飛行器的俯仰運動。一、多旋翼無人機的飛行控制一、多旋翼無人機的飛行控制 3、滾轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，保持電機1和電機 3的轉(zhuǎn)速不變，則可使

5、機身繞 x 軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運動。一、多旋翼無人機的飛行控制一、多旋翼無人機的飛行控制 4、偏航運動：旋翼轉(zhuǎn)動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，兩個反轉(zhuǎn)，且對角線上的各個旋翼轉(zhuǎn)動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當四個電機轉(zhuǎn)速相同時，四個旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動；當四個電機轉(zhuǎn)速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動。在圖 d中，當電機 1和電機 3 的轉(zhuǎn)速上升，電機 2 和電機 4 的轉(zhuǎn)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

6、余反扭矩的作用下繞 z軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)飛行器的偏航運動，轉(zhuǎn)向與電機 1、電機3的轉(zhuǎn)向相反。一、多旋翼無人機的飛行控制一、多旋翼無人機的飛行控制 5、前后運動：要想實現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運動，必須在水平面內(nèi)對飛行器施加一定的力。在圖 e中，增加電機 3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機 1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時保持其它兩個電機轉(zhuǎn)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(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實現(xiàn)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(chǎn)生俯仰、翻滾運動的同時也會產(chǎn)生沿 x、y軸的水平運動。）一、多旋翼無人機的飛

7、行控制一、多旋翼無人機的飛行控制 6、側(cè)向運動：在圖、側(cè)向運動：在圖 f 中，由于結(jié)構(gòu)對稱，所以傾向中，由于結(jié)構(gòu)對稱，所以傾向飛行的工作原理與前后運動完全一樣。飛行的工作原理與前后運動完全一樣。二、多旋翼無人機飛行控制的特點二、多旋翼無人機飛行控制的特點 四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機，但只有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(tài)輸出（即四個輸入力同時卻有六個狀態(tài)輸出（即6個飛行姿態(tài)），個飛行姿態(tài)），所以它又是一個所以它又是一個4輸入輸入6輸出的欠驅(qū)動系統(tǒng)。其與固定翼輸出的欠驅(qū)動系統(tǒng)。其與固定翼飛機、單旋翼直升機反恐特點比較如下：飛機、單旋翼直升機反恐

8、特點比較如下： 1、固定翼飛機、固定翼飛機 通過改變機翼空氣動力學結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)姿態(tài)控制，是通過改變機翼空氣動力學結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)姿態(tài)控制，是自穩(wěn)系統(tǒng)，其姿態(tài)控制是完整的驅(qū)動系統(tǒng)，可以隨時由任自穩(wěn)系統(tǒng)，其姿態(tài)控制是完整的驅(qū)動系統(tǒng)，可以隨時由任何姿態(tài)（失速除外）調(diào)整到其他姿態(tài)。何姿態(tài)（失速除外）調(diào)整到其他姿態(tài)。 2、單旋翼直升機、單旋翼直升機 通過改變旋翼空氣動力學結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)姿態(tài)控制，是通過改變旋翼空氣動力學結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)姿態(tài)控制，是不穩(wěn)定系統(tǒng)，但它是完整的驅(qū)動系統(tǒng)，機體可以自由調(diào)整不穩(wěn)定系統(tǒng)，但它是完整的驅(qū)動系統(tǒng)，機體可以自由調(diào)整姿態(tài)，沒有失速問題，姿態(tài)翻了也可以控制回到正常姿態(tài)。姿態(tài)，沒有失速問題，姿態(tài)翻

9、了也可以控制回到正常姿態(tài)。二、多旋翼無人機飛行控制的特點二、多旋翼無人機飛行控制的特點 3、多旋翼無人機、多旋翼無人機 通過改變各旋翼升力大小來實現(xiàn)姿態(tài)控制，需要進行通過改變各旋翼升力大小來實現(xiàn)姿態(tài)控制，需要進行精準同步協(xié)調(diào)，是不穩(wěn)定系統(tǒng)，其中精準同步協(xié)調(diào)，是不穩(wěn)定系統(tǒng)，其中4旋翼是欠驅(qū)動系統(tǒng)，旋翼是欠驅(qū)動系統(tǒng)，很難控制好，很難控制好，飛行器翻過來后基本沒有辦法控制回來飛行器翻過來后基本沒有辦法控制回來，就，就墜機了。墜機了。 4、旋翼旋翼無人機非線性、旋翼旋翼無人機非線性、欠驅(qū)動系統(tǒng)，人手很難操控，只欠驅(qū)動系統(tǒng)，人手很難操控，只能用自動控制器來控制飛行姿態(tài)。能用自動控制器來控制飛行姿態(tài)。如右

10、圖示，四個電機對稱的安裝如右圖示，四個電機對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計算機和外部設(shè)間安放飛行控制計算機和外部設(shè)備，通過備，通過飛控計算機飛控計算機來計算、控來計算、控制其進行飛行。制其進行飛行。三、多旋翼無人機飛行安全措施三、多旋翼無人機飛行安全措施 1、安裝感知與避讓系統(tǒng)：確保與其他航空器的安全、安裝感知與避讓系統(tǒng)：確保與其他航空器的安全間隔，防止碰撞。間隔，防止碰撞。 2、加裝、加裝gps模塊：利用模塊：利用gps和飛控程序設(shè)置禁飛區(qū)，和飛控程序設(shè)置禁飛區(qū)，防止進入敏感區(qū)域，如機場、軍事禁區(qū)等。防止進入敏感區(qū)域，如機場、軍事禁區(qū)等。 3

11、、設(shè)置飛行高度限制：在飛行程序中設(shè)置高度限制，、設(shè)置飛行高度限制：在飛行程序中設(shè)置高度限制，防止進入限制高度的禁飛區(qū)。防止進入限制高度的禁飛區(qū)。 4、一鍵功能：在飛行程序中設(shè)置一鍵起飛、降落、一鍵功能：在飛行程序中設(shè)置一鍵起飛、降落、自動避障和自動返航功能。自動避障和自動返航功能。 5、傾斜限制功能：多旋翼無人機飛行傾角超過、傾斜限制功能：多旋翼無人機飛行傾角超過300時，時，旋翼升力會驟降，導(dǎo)致無人機加速下墜，從而發(fā)生墜機事旋翼升力會驟降，導(dǎo)致無人機加速下墜，從而發(fā)生墜機事故。為防止這種情況，應(yīng)設(shè)計相應(yīng)的飛控程序，使自動控故。為防止這種情況，應(yīng)設(shè)計相應(yīng)的飛控程序，使自動控制器具備限制飛行器發(fā)生過分傾斜的功能。制器具備限制飛行器發(fā)生過分傾斜