多旋翼无人机飞行控制详解,四旋翼无人机飞控原理深入解析

在四旋翼无人机中,相邻的两个螺旋桨旋转方向是相反的。如图所示,三角形红箭头表示飞机的机头朝向,螺旋桨M1、M3的旋转方向为逆时针,螺旋桨M2、M4的旋转方向为顺时针。当飞行时,M2、M4所产生的逆时针反作用力(反扭矩)和M1、M3产生的顺时针反作用力(反扭矩)相抵消,飞机机身就可以保持稳定。

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不仅如此,多轴飞机的前后左右或是旋转飞行的也都是靠多个螺旋桨的转速控制来实现的。四旋翼无人机就是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速,实现升力的变化,从而控制飞行器的姿态和位置。

垂直运动:同时增加四个电机的输出功率,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。

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俯仰运动:在图中,电机 1的转速上升,电机 3 的转速下降(改变量大小应相等),电机 2、电机 4 的转速保持不变。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,当电机 1 的转速下降,电机 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。

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滚转运动:与图 b 的原理相同,在图 c 中,改变电机 2和电机 4的转速,保持电机1和电机 3的转速不变,则可使机身绕 x 轴旋转(正向和反向),实现飞行器的滚转运动。

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偏航运动:旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩,为了克服反扭矩影响,可使四个旋翼中的两个正转,两个反转,且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关,当四个电机转速相同时,四个旋翼产生的反扭矩相互平衡,四旋翼飞行器不发生转动;当四个电机转速不完全相同时,不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图 d中,当电机 1和电机3的转速上升,电机2和电机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,转向与电机 1、电机3的转向相反。

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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 e中,增加电机 3转速,使拉力增大,相应减小电机 1转速,使拉力减小,同时保持其它两个电机转速不变,反扭矩仍然要保持平衡。按图 b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。(在图 b 图 c中,飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿 x、y轴的水平运动。)

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侧向运动:在图 f 中,由于结构对称,所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

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多旋翼无人机飞行控制的特点:

四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机,但只有四个输入力同时却有六个状态输出(即6个飞行姿态),所以它又是一个4输入6输出的欠驱动系统。

通过改变各旋翼升力大小来实现姿态控制,需要进行精准同步协调,是不稳定系统,其中4旋翼是欠驱动系统,很难控制好,飞行器翻过来后基本没有办法控制回来,就坠机了。

旋翼无人机非线性、欠驱动系统,人手很难操控,只能用自动控制器来控制飞行姿态。如图示,四个电机对称的安装飞行器的支架端,支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备,通过飞控计算机来计算、控制其进行飞行。

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多旋翼无人机飞行安全措施:

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1、安装感知与避让系统:确保与其他航空器的安全间隔,防止碰撞。

2、加装GPS模块:利用GPS和飞控程序设置禁飞区,防止进入敏感区域,如机场、军事禁区等。

3、设置飞行高度限制:在飞行程序中设置高度限制,防止进入限制高度的禁飞区。

 4、一键功能:在飞行程序中设置一键起飞、降落、自动避障和自动返航功能。

 5、倾斜限制功能:多旋翼无人机飞行倾角超过300时,旋翼升力会骤降,导致无人机加速下坠,从而发生坠机事故。为防止这种情况,应设计相应的飞控程序,使自动控制器具备限制飞行器发生过分倾斜的功能。

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