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淺談四旋翼無人機的運動模型和控制原理

2020-05-19 09:28 性質:轉載 作者:雨飛工作室 來源:雨飛工作室
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(一)四旋翼無人機是怎么火起來的?2010年,AR.Drone橫空出世;在AR.Drone的引領下,全球范圍內都有一股將四旋翼商業化的熱潮。2012年DJI相繼推出了風火輪系列...

(一)四旋翼無人機是怎么火起來的?

2010年,AR.Drone橫空出世;在AR.Drone的引領下,全球范圍內都有一股將四旋翼商業化的熱潮。2012年DJI相繼推出了風火輪系列四旋翼機架、悟空四旋翼飛控和S800六旋翼飛行器。其實,2012年的時候,研發四旋翼產品的人們在熱情之余也存有一絲迷茫:四旋翼飛行器是很好玩,但是它除了作為玩具之外,還有什么價值呢?就像AR.Drone被定義成玩具一樣,DJI最早的多旋翼產品也被人定義成玩具、航模。這個問題在2013年得到了解答。隨著DJI在2013年1月的推出Phantom,四旋翼飛行器市場的形勢發生了巨大的變化。Phantom與AR.Drone一樣控制簡便,新手學習多半個小時就可以自由飛行;Phantom尺寸比AR.Drone大的多,抗風性更好,還具有內置GPS導航功能,可以在戶外很大的范圍內飛行;更重要的是,當時利用GoPro運動相機拍攝極限運動已經成為歐美國家的時尚,而Phantom提供了掛載GoPro的連接架,讓用GoPro相機的人們有了從天空向下的拍攝視角。特別地,與傳統的飛機和直升機航拍不同,多旋翼系統小巧靈活,能讓拍攝者自由地控制角度和距離。就像iPhone重新定義了手機一樣,我們也可以毫不夸張地說:Phantom+GoPro重新定義了航拍,也重新定義了相機。必須承認:四旋翼無人機成為航拍嬌子要感謝大疆

四旋翼采用了四個旋翼的機械結構,四個電機作為飛行的直接動力源,通過改變四個螺旋槳產生的升力來控制,結構和動力學特性得到了簡化。如圖(a)~圖(d),四旋翼的前槳和后槳順時針旋轉,左右兩槳逆時針旋轉,這種反向對稱結構代替了傳統直升機尾旋翼。在飛行過程中,改變四個旋翼的轉速,四旋翼將產生各種飛行姿態,使四旋翼向預定方向運動,完成任務。

四旋翼的地面坐標系和機體坐標系:

(1)俯仰角θ,機體軸OX與地面間的夾角。

(2)滾轉角φ,機體軸OZ和包含機體軸OX間的夾角。

(3)偏航角ψ,機體軸OX在地面投影與地軸OgXg間的夾角。

(二)四旋翼無人機的運動原型

四旋翼飛行器結構模型如下:

推進器(1、3)、(2、4)為互相對稱的兩部分。通過改變推進器轉子的旋轉速度,會使飛行器產生升力,引起運動。因此,通過改變4個推進器的轉動速度,我們可以控制飛行器的垂直起降運動。如果相反地控制(2、4)推進器的旋轉速度,會引起滾轉運動;如果相反地控制(1、3)推進器的旋轉速度,會引起俯仰運動;要使飛行器產生偏航運動,則需要通過共同控制(1、2)和(3、4)推進器的旋轉速度。

(1)垂向飛行:垂向飛行相對來說比較容易控制,控制方式如圖(a),圖中箭頭的粗細代表旋翼轉速大小。同時增加四個電機的輸出功率,旋翼轉速增加使得總的拉力增大,四旋翼無人機向上飛行;反之,同時減小四個電機的輸出功率,旋翼轉速下降,使得總的拉力減小,四旋翼無人機向下飛行。

(2)縱向飛行:縱向飛行控制方式如圖(b)。增加后邊電機的輸出功率,旋翼轉速增加使拉力增大,相應的減小前邊電機的輸出功率,使拉力減小。這樣由于存在拉力差,機身會俯仰傾斜,從而使旋翼拉力產生水平分量,因此可控制無人機向前飛行。向后飛行與向前飛行正好相反。

(3)橫向飛行:由于四旋翼無人機的結構對稱性,橫向飛行的控制方式和縱向飛行完全一樣,參見圖(c)。

(4)水平轉動:四旋翼無人機的水平轉動可以借助旋翼產生的反扭矩來實現。旋翼轉動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉動方向相反的反扭矩,常規的直升機為了平衡反扭矩的影響,需借助尾槳的作用來實現。四旋翼無人機為了克服反扭矩的影響,使其四個旋翼中的兩個正轉,兩個反轉,且對角線上的兩個旋翼轉動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉速有關,當四個旋翼轉速相同時,反扭矩互相平衡,無人機不發生轉動;當四個旋翼轉速不同時,不平衡的反扭矩會引起四旋翼無人機的水平轉動。為了使四旋翼無人機按照期望方向作水平轉動,可以同時增加一對同方向旋轉的旋翼轉速并減小另一對旋翼轉速,且轉速增加的旋翼轉動方向與期望的水平轉動方向相同。水平轉動控制如圖(d)。

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