多旋翼无人机

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本文作者:李德强
          第一节 无人机简介
 
 

一、引言

        据说,每个大男孩心中都有一个飞天梦。毕淑敏曾经说:“有些人把梦想变成现实,有些人把现实变成了梦想。关键是,你的梦想是什么?你为你的梦想做了什么?”我从小就喜欢玩一些飞机玩具模型,但从上小学开始,就一直在读书学习,直到多年后大学毕业参加工作了多年以后才真正的为了这个梦想而努力。经过几年的摸索,学习和实践,终于对无人机飞机控制理论有了一定的了解。在这个系列中希望让更多的朋友少走一些弯路,勇敢的迈入无人机这个领域。我们这个系列讲述的是多旋翼无人机。当然,做为一个业余爱好者我们没有能力去做真正的载人飞机,为了实现自己的飞翔梦,选择无人机也是一个非常棒的选择。

 

二、无人机种类

        近年来,由于开源无人机飞行控制器及自动飞机驾驶仪的不断发展,技术已经趋于成熟,全世界数以万计的优秀人才在为开源无人机项目贡献代码。使得越来越多的普通人可以轻松进入这个领域。通常,无人机分为三类:固定翼飞机、单旋翼直升机、多旋翼直升机。在早期,固定翼飞机与直升机占有主导地位,近十年来多旋翼的理论日趋成熟,组装简单,超控灵活,渐渐成为了人们喜爱的无人机。我们在这个系列中也以多旋翼无人机为重点引领大家一起走进无人机的世界。

固定翼飞机

        固定翼飞机:依靠推进系统(前拉式螺旋桨或后推式螺旋桨)产生前进的动力,从而使飞机快速前行。当飞机获得了前进的速度后,由气流的作用到飞机的翼展上(伯努利原理)产生上升的拉力,当拉力大于机身重力时,飞机处于上升飞行状态。固定翼飞的左右(横滚)平衡依靠左右主机翼的掠角大小来调节,前后(俯仰)平衡依靠尾舵的掠角来调节,方向(航向)依靠垂向尾舵来调节,当然,固定翼飞机的航向通常是靠横滚和俯仰组合动作来完成,这不是我们的主要研究方向,在这里不再赘述。优点:续航时间长,速度快。缺点:需要跑道,不能垂直起降。

单旋翼直升机

        单旋翼直升机:单旋翼直升机简称为直升机。我们在这里所讲述的单旋翼和多旋翼在机械结构、控制原理、飞行理论上有本质的区别,请读者不要混淆。单旋翼直升机(以后简称直升机)主动力系统只有一个大型的螺旋桨,主要作用是提供飞行的上升动力,所以当上升动力大于机身重力时,飞机处于上升状态。而由于直升机只有一个主动力桨,当主动力电机高速旋转时,螺旋桨的旋转会对机身产生一个反向的作用力——反扭力。在反扭力的作用下,飞机会产生与螺旋桨旋转方向相反的自旋。为了解决直升机的自旋,就需要在飞机的尾部追加一个水平方向的小型螺旋桨,其产生的拉力主要用于抵消机身自旋,当直升机需要改变航向时,也可以通过尾部螺旋桨来调节。除了主动力电机与尾翼电机之外,通常还有三个舵机,用于改变主动力桨的螺距,使机身产生横滚和俯仰姿态,从而使飞机前飞、后飞或向左、向右飞行。优点:可以垂直起降,空中悬停。缺点:续航时间短,机械结构繁杂,操控难度大,飞行速度慢。

多旋翼直升机

        多旋翼直升机:由三个、四个或更多螺旋桨所组成的无机。最典型、最常见的就是四旋翼直升机(以后简称四旋翼)。四旋翼有四个轴,安装四个螺旋桨,同样可以由螺旋桨的高速旋转产生向上的拉力实现垂直起降。但与直升机不同的是,多旋翼的前进、后退、向左、向右飞行靠的是四个螺旋桨不同的转速,而不是像直升机那样靠改变主动力桨的螺距,因为四旋翼桨的螺距是固定的,桨的尺寸也是固定的。四旋翼的四个轴的轴距通常也是相同的,所以其动力体系通常也是对称的。三旋翼、六旋翼、八旋翼或其它多旋翼除了将动力和力矩分配到多个螺旋桨的方案不同之外,与四旋翼没有本质上的区别。可以说,学习并掌握了四旋翼之后,也就可以举一反三的懂得了其它多旋翼的原理与动力系统。优点:可以垂直起降,空中悬停,结构简单,操作灵活。缺点:续航时间短,飞行速度慢。

 

三、航模与无人机

        很多朋友喜欢飞机,也喜欢航模,但对无人机与航模没有一个准确的认识,以为买一架小型多旋翼飞机,使用遥控器进行飞行就是进入了无人机领域。其实这远远还不够。航模与无人机还是有很大差别的。下面我们就来针对这两个内容也做一下简要的说明。

        航空模型飞机,简称航模。是一种有尺寸限制,带有或不带有发动机,不能载人的飞行器。完全依赖于地面操控人员的实时控制(遥控器)。通常用于娱乐或空中比赛。与无人机的本质区别在于航模必需依赖于飞控手的实时操控,飞机也必需要在飞控手的视线和遥控器的有效范围以内。其组成也相对简单,只需要飞机机架、动力系统、简单的平衡系统、遥控通讯系统即可。

        无人驾驶飞机,简称无人机,英文Unmaned Aerial Vehicle, UAV。也就是说,无人机所表示的是没有驾驶员的飞机,飞机通过机载的计算机系统自动对飞行的平衡进行有效的控制,并通过预先设定或飞机自动生成的复杂航线进行飞行,并在飞行过程中自动执行相关任务和异常处理。通常无人机分为完全离线飞机与半离线飞机,完全离线飞机可完全不与地面系统进行交互,自动完成一个或多个飞行任务,并在执行完任务之后返航或在指定地点降落;半离线飞机在自动执行飞行任务期间,可由地面系统(地面站)进行指令控制,人工干预其飞行任务,并在紧急情况下执行地面系统的紧急命令,例如:返航、迫降、自毁等。可以说,无人机是由机载计算机系统和地面系统一起组合起来的可以自行完成飞行任务的无驾驶员的飞行器。从控制上讲可以完全脱离地面的实时控制,其组成由飞机机架、动力系统、自平衡系统、导航系统、航线规划系统、感知系统、任务执行系统、与地面站通讯系统等等。从用途上讲,无人机主要用于军事用途或特殊民用。在本系列中,我们主要学习小型四旋翼无人机的设计、控制与全自动飞行。

 

 

 

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