航模直升機超進階講解——直機希拉貝爾控制原理

1、超進階講解一一直機的控制原理暈了 耐心看哦''超進階講解一一直機的控制原理附：偶地帖子盡可能做到，既有內容又有形式。閱讀起來會很有層次感。心可亂地帖子，大家都要頂哦。-古人說過，“工欲善其事，必先利其器”。我覺得要想練好直機，好飛機是一方面， 一個對直升機了解與精通的大腦也是必不可少的“器”。所以我決定利用這幾年學到的知 識，對直升機做一個稍微深入一點的分析，這對我是一次知識的深化，也希望對同好們能 有所幫助。話說旋翼頭旋翼頭是直升機中最神奇，也是最關鍵的部件。直升機的絕大多數(shù)性質，比如穩(wěn)定性、靈活性，包括所謂操縱感覺，都是由旋翼頭決定的。遙控直升機的旋翼頭采用貝爾-希拉操縱方

2、式，也就是一對主旋翼，產(chǎn)生升力， 同時靠一對小翼控制升力的方向， 從而達到控制直 升機的目的。我們下面就來細說一下貝爾 -希拉方式是如何達到操縱直升機的目的的。I、陀螺效應所謂陀螺效應，就是旋轉著的物體具有像陀螺一樣的效應。陀螺有兩個特點：進動性和定軸性。當高速旋轉的陀螺遇到外力時，它的軸的方向是不會隨著外力的方向發(fā)生改變的， 而是軸圍繞著一個定點進動。大家如果玩過陀螺就會知道，陀螺在地上旋轉時軸會不斷地扭 動，這就是進動（不考慮章動）。以下是陀螺效應的示意圖：dL圖一、陀螺效應示意圖在上圖中，圓盤是陀螺。 L是圓盤的角動量，其大小是 RXMv或者I 3由于在力學中，有 dl，所以質和方向相同

3、。這直接導致了（如圖）高速轉動的陀螺在受到F后,整個陀螺以X軸為轉軸轉動而不是以 Y軸為轉軸。這就是神奇的陀螺效應。這種效應一直 伴隨著直升機的飛行。例如：要使直升機仰俯，就必須要使直升機左右的升力不平衡而不是 使其前后不平衡?；谶@種原理我們下面就來解釋遙控直升機的所謂貝爾-希拉操縱方式。II、貝爾-希拉操縱方式的初步分析說起貝爾-希拉，同好們映像最深的一定是那對希拉”小翼。這是遙控直升機唯一區(qū)別于真飛機的地方。那么這對小翼的作用究竟是什么呢？她所帶來的好處是什么？下面就聽我 細細說來。在I中，我們已經(jīng)看到陀螺效應的基本原理。在遙控直升機中，主旋翼就是一個大陀螺，它本身具有陀螺效應。當我們改

4、變主旋翼傾角時，直升機的運動狀態(tài)就會發(fā)生改變。但同時,如果用舵機直接改變主旋翼的傾角來控制飛機，問題是很多的。首先，主旋翼傾角的改變需要較大的力矩。如果用十字盤直接控制的話，強大的、交變的力矩將會直接作用到舵機上。這樣舵機將會受到很大負荷，操縱精度會嚴重下降。第二，當直升機受到輕微擾動后，由于陀螺的進動性，直升機將不會恢復原來狀態(tài)，而是繞著垂線方向進動（如圖）。G如圖，由于重力不通過旋翼頭中心，所以造成力矩的產(chǎn)生，從而導致主旋翼發(fā)生進動。 這個問題是嚴重的，會直接導致遙控直升機懸停及飛行時無法穩(wěn)定?；谝陨蠁栴}，貝爾 希拉操縱方式產(chǎn)生了。操縱過程是這樣的：一、初始狀態(tài)布拉小知平加希拉小翼由于空

5、氣和離心力作用，和主旋翼平面平行。 此時兩片主旋翼升力相等， 飛行狀態(tài)不發(fā)生變化、操縱時主旋翼平面圖I。度.180度狀態(tài)希拉小翼平面主旋翼平面圖口 9。度,2了0度狀態(tài)希拉小翼平面上圖為同一個視角，主旋翼轉動到不同角度時的狀態(tài)。在圖 I中，操縱者將十字盤傾斜。希 拉小翼就與空氣呈10。傾角。由于空氣的作用，希拉小翼在圖I位置受力。由于陀螺效應，希拉小翼不會在圖I位置立即上抬，而是在轉過 90°后在上圖II位置上抬。于是希拉小翼旋 轉平面與主旋翼平面呈 10°夾角并穩(wěn)定于此。在圖II中，我們清晰地看見，由于希拉小翼通過連桿控制著主旋翼的傾角，所以希拉小翼旋轉平面的改變導致了主

6、旋翼與空氣產(chǎn)生夾角。從而使主旋翼在圖II位置受力。由于陀螺效應，主旋翼不會在圖 II位置立即上抬，而是在轉過 90。后在圖I位置上抬。從而使得主 旋翼平面趨于平行于希拉小翼。至此，遙控直升機主旋翼平面的傾轉過程已經(jīng)分析完畢。我們看到，遙控直升機的傾轉 總是希拉小翼旋轉平面先傾轉，主旋翼平面跟上趨于平行的過程。有意思的是，在這一過程中主旋翼操縱的負荷被希拉小翼完全承擔。舵機只需承擔操縱希拉小翼的負荷。這就有效地化解了一般操縱方式舵機負荷過重的問題。下面再來初步分析希拉小翼對遙控直升飛機穩(wěn)定性帶來的好處。為此，我們來看貝爾 希拉操縱系統(tǒng)的干擾-穩(wěn)定過程：、初始狀態(tài)主曜皿平面希拉小寂平面希拉小翼由于

7、空氣和離心力作用，和主旋翼平面平行。 此時兩片主旋翼升力相等， 飛行狀態(tài)不發(fā)生變化、外界氣流對飛機進行干擾當遇到氣流時，由于主旋翼的旋轉，會導致左、右主旋翼相對于空氣的速度不同，從而產(chǎn)生力矩，使飛機偏離平衡位置。如圖：在上圖中，飛機機身及主旋翼平面由于干擾而失去平衡位置。但由于希拉小翼采用對稱翼型，不會受到外界干擾。由于陀螺效應的定軸性，希拉小翼平面保持不變。所以此時主旋翼平面 由于與希拉小翼平面有夾角而產(chǎn)生恢復力矩，抵抗外界干擾。這就是貝爾-希拉控制方式的自穩(wěn)定過程。也正是這個過程，使得遙控直升飛機避免了被干擾后就陷于進動的問題。同時,當直升飛機高速前進時， 由于左、右主旋翼相對空氣的速度不

8、同，會導致力矩的產(chǎn)生， 使飛機抬頭的現(xiàn)象也被這種貝爾-希拉控制方式有效抑制，從而有效地提高了遙控直升飛機的可 操縱性。值得注意的是，貝爾 -希拉自穩(wěn)定過程不能抑制過強的干擾。原因是希拉小翼旋轉 平面保持原來運動狀態(tài)的同時，由于機身的傾斜，小翼與空氣平面會產(chǎn)生夾角，從而破壞小翼原來的運動狀態(tài)。如圖:希拉小翼旋轉平面P由于6角的存在，希拉小翼旋轉平面會向主旋翼旋轉平面方向旋轉，最后趨于平行。所以貝爾-希拉的自穩(wěn)定過程是有限的。還需要其他手段（比如使希拉小翼不太靈敏）來增加穩(wěn)定 性。III、貝爾-希拉操縱方式的定量分析（看不懂這一章的可以直接看最下方的總結）（1）微擾動過程。在進行定量分析之前，我將

9、貝爾 -希拉控制過程分為兩類-微擾動過程和一般過程， 目的是從易到難，逐個分析，從而簡化難度。從 II中，我們已經(jīng)知道直升飛機的操縱主要 過程是：小翼與空氣產(chǎn)生夾角 一小翼旋轉平面傾斜一主旋翼與空氣產(chǎn)生夾角 一主旋翼旋轉平 面傾斜。在某些情況下，比如陣風對飛機干擾時，小翼旋轉平面的傾斜大大大于主旋翼平面的傾斜，所以我們就將主旋翼平面的傾斜忽略不計。這樣，只要研究小翼的運動而不必考慮主旋翼平面的轉動對小翼造成的影響。這樣分析是有益的，能讓我們方便地看清飛機在懸停時有風的情況下的運動方式，以及諸如轉速、希拉小翼的質量分布對飛機穩(wěn)定性的影響?；蚣臃较蚴紫葘⑾＠∫砜醋魍勇?。令：希拉小翼：角動量為 L

10、轉動慣量為I半徑為R（不是小翼旋轉平由舵機控制而轉過的角度或者機身由于擾動主旋翼平面與小翼的平面夾角面）為0 （如圖）旋轉平面與主旋翼夾角為W平面以X軸為軸的轉動角速率為 3主旋翼轉速為,:主普JI平此叫虹18。度狀是養(yǎng)拉小JI平珂希拉小X康轉平面dL dim=M/ F是小翼與空氣有夾角后受到的力。 因為是微擾動，W很小。*渚二普du/M M=dtL %!上式的意思是，主旋翼轉速為 由0,轉動慣量為I的希拉小翼受到力矩 M后，其平面轉動速 率(也可以理解為一端向上抬起的速率)I r'd姬/!對于同一級別的直升機，由于主旋翼轉速是固定的，希拉小翼的轉動慣量J 也是定值，所以當主旋翼轉速越

11、快，3越小，也就是希拉小翼上抬的速率越小，或者說直升機在懸停時遇到風的情況就越穩(wěn)定。對于90級直升機，其希拉小翼的轉動慣量I大于50級直升機。所以也就比 50級穩(wěn)定。上式充分說明了直升機的轉速以及希拉小翼+平衡桿的轉動慣量的大小與直升機的穩(wěn)定性成正比。大直升機穩(wěn)定性的根源就在于此。為了了解直升機的運動狀態(tài)，光有上式是不夠的。因為M會隨著直升機姿態(tài)的恢復而變化。不同品牌，不同型號的直升機，M的變化方式不同。比如，有的直升機在收到擾動后恢復姿態(tài)時，M 一開始變化很快，后來逐漸變慢；而有的是 M的變化趨于平穩(wěn)。這樣也 就導致了希拉小翼的 3,即一端上抬存在加速度， 這也就是不同直升機有不同操縱感覺的

12、原 因。為了充分分析問題， 我們必須找出 3隨時間t的變化規(guī)律 3 (t以及希拉小翼的平面與主 旋翼夾角W的變化規(guī)律W (t)o1 .面2/這是升力公式，F(xiàn)是小翼受到的力根據(jù)一開始的定義，由舵機控制而轉過的角度或者機身由于擾動主旋翼平面與小翼的平面夾 角（不是小翼旋轉平面）為 0在。不太大的情況下，例即正比關系。令門=穌（8-河也_ *向航1 （8-勃上1%反席（8-饑2時尸珈兩邊求導,伊*瞄= f；ul&-(p 2j Pdmd(e- = kps di。一倒 2r2dm2pdn2J疽徹| _u - e '+ (p 我們認為。是定值。C為積分常數(shù)，由初始條件定出:當 t=0 時，

13、p =0廣二8C = ln-0_（宓篤出寫c2尸切 8q）= u-e JR3pSt<p = 0（-e 幻膈）H這就是微擾動情況下希拉小翼旋轉平面隨時間的運動方程。從這個方程中我們可以看 到，平衡桿的轉動慣量 2血 越大，隨時間的變化就越慢，飛機也就越穩(wěn)定。這也就 是為什么hirobo的練習機在平衡桿上加重物的原因。0（主旋翼轉速），P （空氣密度），R （平衡桿長度），S （希拉小翼面積）越大，平衡桿的變化也就越靈敏。原則上飛機就越靈活。這似乎與前面得到的一個結論相矛盾，也與我們平時飛行的感覺不符。我們平時飛行時，總覺得主旋翼轉速越高，飛機越穩(wěn)定。事實也是如此。那么問題關鍵出在什么地方呢

14、？原來，B式所要描述的過程已經(jīng)不同于微擾 -穩(wěn)定過程。因為在分析中，我們用了一磯這個條件。這個條件是有前提的，即。不太大也不太小的情況下這個條件成立。也就是說，上式給出了一個在。不太大也不太小，正好滿足微擾條件的希拉小 翼旋轉平面的運動方程。這個方程是有局限性的。當我們讓遙控直升飛機作大動作的時候，上式不適用。對于。極小的情況下，上式也不適用。因為M M=而是等于一個由于摩擦或其他效應造成的小量m。所以此時只能用方程£ %來描述希拉小翼旋轉平面的運動。A式告訴我們， 的越高，即主旋翼轉速越高，飛機越穩(wěn)定。同時，B式告訴我們，越高，直升機越靈活。所以提高 °。對飛機來說好處很

15、多。尤其對F3D,提高的可以使飛機做到靜如處子，動如脫兔的地步。飛起來會得心應手。(2)、大幅度操縱過程對于大幅度地操縱遙控直升飛機，主旋翼旋轉平面的變化就不能被忽略了。這會使問題十分復雜。 為了相對清晰地研究這個問題，我決定以上一個分析為基礎進行研究。令：主旋翼：角動量為 '三轉動慣量為2-半徑為2 -旋轉平面與初始平面夾角為'-平面以x軸為軸的轉動角速率為q主旋翼轉速為牲二二二根據(jù)角動量守恒原則。勾w主M主二 Rx F- R*x k?5其中，S是主旋翼與空氣的夾角,生力差。R 是主旋翼升力焦點到主軸的距離。<5是由希拉小翼旋轉平面與主軸的夾角少 巾5八.更 苴r 5出

16、甬*、鏟4十 決定的。令 9,其大小決定了飛機的靈敏度。這個比例可以通過改變主旋翼夾頭上搖臂與主軸的距離來調節(jié)。財主 R褊虹伊 哇=于是，問題轉化為：在前面的分析細a廠血小“血；現(xiàn)在考慮機身傾轉因素上心齡、（0+件-啊 片氣K序（6+0主-。(&=林所奸欠）&斜局潮& -欠） e=一22 r dmG)-均Wd 神主2 Jr* 加*雙R枯沏,頃）"主2 r2dm（p=CeUC這是二階常系數(shù)齊次線性微分方程。 求解，得：r1L其中，切+切| I上函理益2 | 4 k網(wǎng)餌2 rdm V 2rAdm lr dm 口冶k（jRpS2 rdm 尸-_ （&袖3必）2 | 4代袖3肉 R&k?j lr dm町I主25、G是待定系數(shù)，由t=0時的狀態(tài)決定。 童+%= 0于是，主旋翼即直升飛機的傾轉的 運動方程是:二C段&世-尹)這個方程說明，我們在操作飛機時，飛機的運動狀態(tài)并不是勻速改變的，而是有一個加速 減速的過程。這也就是所謂 hirobo和雷虎飛行時操作感覺不同的原因。IV、小結以上定量分析的內容可能會給大家?guī)硪恍├щy。 于是我將在這一節(jié)中總結一下我從公式中得到的結論：主旋翼旋轉平面運動類型所對應的實際情況運動