1.什(shí)么是多(duō)旋翼
多旋翼飞行器是一类通过多个定距桨(螺旋桨)正反(fǎn)旋(xuán)转与转速控制提供飞行器(qì)升力与飞行器姿态调整。这样的定义方式(shì)使我们准确了解(jiě)多旋(xuán)翼飞(fēi)行器(qì)的旋翼结构、升(shēng)力来源、姿(zī)态控(kòng)制方(fāng)式。
2.多旋翼飞行器一般结(jié)构
任何飞行器都可以分为三(sān)个部(bù)分:控(kòng)制器,执行器,反馈环节。控制器包括飞控,接收机;执行器(qì)包括电调,直流电(diàn)机,定距正反(fǎn)桨;反馈(kuì)环节就是传感系统,一(yī)般包括(kuò)两大(dà)类:飞行器姿(zī)态传(chuán)感系统,外部环境(jìng)感知系统。
3.多旋翼飞(fēi)行(háng)器控制原理(lǐ)
四旋翼飞行器(qì)正反桨两(liǎng)两成对(duì),分别向不同(tóng)方向旋转,平衡扭矩并向旋翼“下(xià)方”推送气流(liú)。通过成对变化(huà)定距桨旋转(zhuǎn)速度,调整入流量来实现飞行器姿态控制(zhì)。
一般而言,四旋翼飞行器有两种(zhǒng)飞行模式,上面介绍的(de)是X型控制结构,也(yě)是当下使用较多的控制方式。除(chú)此之外还有十字型,两者原理大(dà)同,细节小异。
至于八旋翼,十六旋翼甚至更(gèng)多,都是通(tōng)过成对正反桨平衡扭矩,提供升力(lì),调整姿态。
4.多旋翼飞(fēi)行(háng)器(qì)特点
多旋翼机型确(què)实降(jiàng)低了商品无人(rén)机的门槛。然而(ér)在很多飞行器设(shè)计师(shī)的眼中多旋翼飞行器是一(yī)个非常“奇怪”的存在(zài),它的(de)缺点实(shí)在(zài)非常(cháng)多,却因(yīn)同(tóng)样具有非常鲜明的优点(diǎn)而成为(wéi)当(dāng)下无人(rén)机市场的宠儿。
优点
从飞行器操作者的(de)角度(dù)来看,多旋翼是(shì)完(wán)美(简单)的(de)被控(kòng)对象(xiàng)(虽(suī)然(rán)它还是非线性(xìng),非(fēi)最小相位系统)。
多旋(xuán)翼飞(fēi)行器可以(yǐ)很(hěn)容易产(chǎn)生统(tǒng)一方向(xiàng)的气流推送,因此具备优秀(xiù)的VOTL能(néng)力与定点悬停能力,而这(zhè)是一般固定翼飞机望尘(chén)莫及的。
同时对称的旋翼布局使得(dé)其(qí)操控简单直接,姿(zī)态调整时只需成对改变旋翼(yì)转速,就可提供非常“直接”的(de)姿态力矩(jǔ)。而其它旋翼机则一般会有一个复杂的(de)动力学过渡过程(这样描述其实很不专业,却比较容易理解),增(zēng)加了炸鸡以及(jí)飞行器(qì)周围人员的风险,对操作(zuò)者的控(kòng)制要求提(tí)升了很(hěn)多。
而且多旋翼飞(fēi)行器的(de)姿态变化方(fāng)式(shì)使得该机(jī)型直接(jiē)采用定距桨,相比于直升(shēng)机(jī)的变距(jù)桨在机(jī)械设计(jì)结构(gòu),控制难(nán)度,实现成本(běn),姿态平稳方(fāng)面都(dōu)有很大提(tí)升。
一句话(huà):多旋翼飞(fēi)行器使得飞行变得(dé)简单
缺点(diǎn)
从飞行器设(shè)计者的(de)角度来看多(duō)旋翼飞行器却是—“无比丑陋”的。
首(shǒu)先,其气(qì)动效率非常糟糕。固定翼是上帝为飞行生物设计的完美的飞行器结构。固定(dìng)翼在空中可以借助气流产生升(shēng)力,姿态变换通过“借力”实现(还是(shì)要有执行器控制相应(yīng)的机械结构,但(dàn)省“力”很多),螺(luó)旋桨或者(zhě)喷(pēn)气发动(dòng)机只提(tí)供额外飞行速度。而多旋翼(yì)需要安装与旋翼数相同的电机(jī)来(lái)提供升力,在(zài)飞行过程(chéng)中完全没有办法借助空气动力。姿(zī)态(tài)变化,飞(fēi)行速度全部来自于机载动力,自身能(néng)量消(xiāo)耗巨大,效率之低令人发指。
这也是(shì)为什么在讨论翼型时基本都是关于(yú)固定翼和直升机的,多旋(xuán)翼的(de)定距桨也就(jiù)是谈一(yī)谈扭矩,旋翼尺寸和电机(jī)选择方面的匹配罢了。
其次,在(zài)机动(dòng)性方面,直升机型飞行器机动速度(dù)与飞(fēi)行(háng)包络都明显优于(yú)多旋翼(yì)飞行器,如果在机动过程中(zhōng)充分考虑直(zhí)升机机身与主旋翼之间(jiān)的作用力耦合,并在控制算法中巧妙地加以利用(yòng)则可以增强直升(shēng)机的(de)机动性,降(jiàng)低能耗(hào)。但对于多旋翼而言,机动过(guò)程既(jì)不美观也不经济(jì)。
最后,当多旋翼飞行(háng)器“大型化”也(yě)就是(shì)Scale number(尺寸系数)上升(shēng)后,意味着需要提供更大的升(shēng)力(lì)从(cóng)而要求更大尺寸(cùn)的定距桨(jiǎng),这不但(dàn)面临着更大动(dòng)力模块的难题,同时(shí)众多大尺(chǐ)寸(cùn)旋翼在一个平面(miàn)中旋转会使实际控制变更加困难。
一句话:多(duō)旋翼飞行器使得飞行变得没品质。
任何一种飞行器结(jié)构都必然存(cún)在(zài)自己优缺点(diǎn),换句话说,留给爱好者和设计者的空间是很大的,无人机(jī)在飞行器控制方式(shì)和结构设计中蕴藏着巨大的创新潜力。相(xiàng)信以(yǐ)后可以看到越来越多(duō)奇妙、美(měi)丽、高效(xiào)的飞行器设计结构。

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