1.什么是多(duō)旋翼
多旋翼飞行(háng)器是一类(lèi)通过多个定距(jù)桨(螺旋桨(jiǎng))正反旋转与(yǔ)转(zhuǎn)速控制提供飞行器升力(lì)与飞行器姿态调整。这样(yàng)的定义方式(shì)使(shǐ)我们准确了解(jiě)多旋翼飞行器(qì)的旋翼(yì)结构、升力来(lái)源、姿态(tài)控制方(fāng)式。
2.多旋翼飞行器一般结构
任何飞行器都可以(yǐ)分为三个(gè)部分:控制器,执(zhí)行器,反(fǎn)馈(kuì)环节。控制器(qì)包括飞(fēi)控,接收机;执(zhí)行器包括(kuò)电调,直流电机(jī),定距正反桨;反馈环节就是传感系统,一(yī)般包(bāo)括两大类:飞行器(qì)姿态传感系统,外部环境感(gǎn)知系统(tǒng)。
3.多旋(xuán)翼飞行器控制原理
四旋翼飞行器(qì)正(zhèng)反(fǎn)桨两(liǎng)两成对,分别向不同方(fāng)向旋转,平衡(héng)扭矩并向(xiàng)旋翼(yì)“下方”推送气(qì)流。通过成对变化定距桨(jiǎng)旋转速度,调整入流量来(lái)实(shí)现飞行器(qì)姿态控(kòng)制。
一般而言(yán),四(sì)旋翼飞行(háng)器有两(liǎng)种飞行模式(shì),上面介绍(shào)的是(shì)X型控制结构,也是当下使(shǐ)用较多的控制方式。除此之外还有十字型,两者原理大同,细节小异。
至(zhì)于八旋翼,十六(liù)旋翼甚至更多,都是通过成对(duì)正反桨平衡扭矩,提(tí)供升(shēng)力,调整姿态。
4.多旋翼飞行器特点
多旋翼机型确实降低(dī)了商品无(wú)人(rén)机的门槛。然而在很多飞(fēi)行器设计(jì)师的(de)眼中多旋翼飞(fēi)行器是(shì)一个非常“奇(qí)怪”的存在,它的(de)缺点实(shí)在非常多,却(què)因同样具有(yǒu)非(fēi)常鲜(xiān)明的优点而成为当(dāng)下无人(rén)机市(shì)场的宠(chǒng)儿(ér)。
优(yōu)点
从飞行器操作者的角度来看(kàn),多旋(xuán)翼是完美(měi)(简单)的被控对象(xiàng)(虽然它还(hái)是(shì)非线(xiàn)性(xìng),非(fēi)最小(xiǎo)相位系统)。
多旋翼(yì)飞行(háng)器(qì)可(kě)以很容(róng)易产生统一方向的气流推送,因此(cǐ)具备优秀的VOTL能力与定点悬停(tíng)能力,而这是一(yī)般(bān)固定翼飞机望尘(chén)莫及的。
同时对称的(de)旋(xuán)翼布局使得其(qí)操控简单直接,姿态调整(zhěng)时只(zhī)需成对改变旋翼转速,就可提供非常“直接”的姿态(tài)力矩。而其它旋翼机则一般会有一个复杂(zá)的动(dòng)力学(xué)过渡过(guò)程(这样描述其实很不(bú)专业,却比较容易理解),增加了炸(zhà)鸡以(yǐ)及飞行器周围人员的风(fēng)险,对操作者的控制(zhì)要求(qiú)提(tí)升了很多。
而且多旋翼飞行器的姿态变化方式使(shǐ)得该机型(xíng)直接采用定距桨,相比于直升机的变距(jù)桨在机械设计(jì)结构,控制难(nán)度,实(shí)现成本,姿态平稳方面都(dōu)有(yǒu)很(hěn)大提升。
一句(jù)话:多旋(xuán)翼飞行器(qì)使(shǐ)得飞行变得简单(dān)
缺点
从飞行器设计者的角度来看多(duō)旋翼飞(fēi)行器却是—“无比丑陋”的。
首(shǒu)先,其气动效率非常糟糕(gāo)。固定翼是上帝为飞(fēi)行生物设计的完(wán)美的飞行器结(jié)构。固定翼在(zài)空中(zhōng)可(kě)以借(jiè)助气流(liú)产生升力,姿(zī)态(tài)变换通过(guò)“借(jiè)力”实现(还是要有执行器控制(zhì)相应的机械结构,但省“力”很(hěn)多),螺旋(xuán)桨或者喷气发动机只提供额(é)外飞行速度。而多(duō)旋翼需要安装与旋翼数相同的电机来提供升力,在飞行过程中完全没有办法借助空气动力(lì)。姿态变化,飞行速度全部来自于机载动力,自身能量(liàng)消耗巨大,效率之低(dī)令人发指。
这(zhè)也(yě)是为什么在讨论翼型时基(jī)本都是关于固(gù)定翼和(hé)直升机的,多旋翼的定距桨也(yě)就是谈一谈扭矩,旋翼尺寸(cùn)和电机(jī)选(xuǎn)择方面的匹(pǐ)配罢了。
其次,在机动性方面,直升机型飞行器机动速度与飞(fēi)行(háng)包络都明显优于多旋翼(yì)飞行器,如果在(zài)机动过(guò)程中充分(fèn)考虑直升机机身与主(zhǔ)旋翼之间的作用力耦合,并在(zài)控制(zhì)算法中巧妙地加(jiā)以利(lì)用则可以(yǐ)增强(qiáng)直升机的(de)机动性,降低能耗。但对于(yú)多(duō)旋翼而言,机动过(guò)程既不美观也不经济。
最(zuì)后,当多旋翼飞行器(qì)“大(dà)型化”也就是Scale number(尺寸系数)上升后,意味着需(xū)要提(tí)供更大的升力从而要求更(gèng)大(dà)尺寸的定(dìng)距桨,这不但面临(lín)着更大动力模块的难题,同时众多大尺寸(cùn)旋翼在一个平面中旋转(zhuǎn)会使实际控制变更加困难。
一(yī)句话:多旋翼(yì)飞行器使得飞行变得没品质。
任何一种飞行器结构都必然存在自己优缺点,换(huàn)句话说(shuō),留给爱好者(zhě)和设计(jì)者的空(kōng)间是很大的,无人机在飞行器(qì)控制方式和结构设计中蕴藏(cáng)着巨大的(de)创新潜力。相信以后可以看到越来越多奇妙、美丽、高效的飞行器设计结构(gòu)。

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