【四旋翼無(wu)人(ren)機】四旋翼無(wu)人(ren)機原理(li)和結(jie)構 四旋翼無(wu)人(ren)機的優缺點

四旋翼無人機原理和結構

1、結構形式

旋(xuan)翼(yi)對(dui)稱(cheng)分布在機體(ti)的前后、左右(you)四個(ge)方向，四個(ge)旋(xuan)翼(yi)處于(yu)同一高度平面，且四個(ge)旋(xuan)翼(yi)的結(jie)構和半徑都相(xiang)同，四個(ge)電機對(dui)稱(cheng)的安裝在飛(fei)行器的支(zhi)架(jia)端，支(zhi)架(jia)中間空間安放飛(fei)行控制計(ji)算機和外部設備(bei)。結(jie)構形式如圖 1.1所示。

2、工作原理

四旋翼飛(fei)行器通(tong)過調節四個(ge)電機(ji)(ji)轉速來改(gai)變旋翼轉速，實現升(sheng)力的變化，從而(er)控制飛(fei)行器的姿態和位置。四旋翼飛(fei)行器是一(yi)種六(liu)自(zi)由度的垂直升(sheng)降機(ji)(ji)，但只有(you)四個(ge)輸入力，同時卻有(you)六(liu)個(ge)狀態輸出，所以它又是一(yi)種欠驅動系統(tong)。

四旋翼飛行器的電機 1和電(dian)機(ji)(ji) 3逆時(shi)針旋轉的同時(shi)，電(dian)機(ji)(ji) 2和電(dian)機(ji)(ji) 4順(shun)時(shi)針旋轉，因此當飛行器(qi)平(ping)衡飛行時(shi)，陀螺效(xiao)應和空氣動力扭(niu)矩效(xiao)應均被抵消。

在上圖中(zhong)，電(dian)機 1和(he)電(dian)機 3作逆時針旋轉(zhuan)，電(dian)機 2和(he)電(dian)機 4作順(shun)時針旋轉(zhuan)，規定沿 x軸正方向運(yun)動稱為向前運(yun)動，箭頭在旋翼的運(yun)動平面上方表示此(ci)電(dian)機轉(zhuan)速提高，在下方表示此(ci)電(dian)機轉(zhuan)速下降。

（1）垂(chui)直運(yun)動：同(tong)(tong)時(shi)(shi)增加(jia)四(si)(si)個電機(ji)(ji)的(de)(de)輸(shu)出功(gong)(gong)率，旋(xuan)翼轉(zhuan)速增加(jia)使得總(zong)的(de)(de)拉力增大，當總(zong)拉力足(zu)以克服整機(ji)(ji)的(de)(de)重量(liang)時(shi)(shi)，四(si)(si)旋(xuan)翼飛行(xing)器(qi)(qi)(qi)便(bian)離地垂(chui)直上升(sheng)；反之，同(tong)(tong)時(shi)(shi)減小(xiao)四(si)(si)個電機(ji)(ji)的(de)(de)輸(shu)出功(gong)(gong)率，四(si)(si)旋(xuan)翼飛行(xing)器(qi)(qi)(qi)則(ze)垂(chui)直下降，直至平(ping)衡落地，實現了沿 z軸的(de)(de)垂(chui)直運(yun)動。當外界擾動量(liang)為零時(shi)(shi)，在旋(xuan)翼產(chan)生的(de)(de)升(sheng)力等于飛行(xing)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)自重時(shi)(shi)，飛行(xing)器(qi)(qi)(qi)便(bian)保持懸停狀態(tai)。

（2）俯(fu)仰(yang)運(yun)動(dong)：在(zai)圖（b）中，電機 1的(de)(de)轉(zhuan)速(su)上(shang)升(sheng)，電機 3 的(de)(de)轉(zhuan)速(su)下(xia)降(jiang)(jiang)（改(gai)變量(liang)大小應相等），電機 2、電機 4 的(de)(de)轉(zhuan)速(su)保持不變。由于旋翼1 的(de)(de)升(sheng)力(li)上(shang)升(sheng)，旋翼 3 的(de)(de)升(sheng)力(li)下(xia)降(jiang)(jiang)，產生的(de)(de)不平衡力(li)矩使機身(shen)繞 y 軸旋轉(zhuan)，同理，當電機 1 的(de)(de)轉(zhuan)速(su)下(xia)降(jiang)(jiang)，電機 3的(de)(de)轉(zhuan)速(su)上(shang)升(sheng)，機身(shen)便繞y軸向(xiang)另一個方向(xiang)旋轉(zhuan)，實現(xian)飛行(xing)器的(de)(de)俯(fu)仰(yang)運(yun)動(dong)。

（3）滾轉(zhuan)運(yun)動(dong)：與圖 b 的(de)原(yuan)理相同，在(zai)圖 c 中(zhong)，改變電機(ji) 2和(he)電機(ji) 4的(de)轉(zhuan)速(su)，保持電機(ji)1和(he)電機(ji) 3的(de)轉(zhuan)速(su)不變，則(ze)可使機(ji)身繞 x 軸旋轉(zhuan)（正向和(he)反向），實現飛(fei)行器的(de)滾轉(zhuan)運(yun)動(dong)。

（4）偏航運動(dong)：旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)動(dong)過程中(zhong)由于空氣阻力作用(yong)會形成與(yu)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)動(dong)方向相(xiang)(xiang)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)的(de)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)扭(niu)(niu)(niu)矩(ju)，為了克服反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)扭(niu)(niu)(niu)矩(ju)影響(xiang)，可使(shi)四(si)個(ge)(ge)(ge)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)中(zhong)的(de)兩個(ge)(ge)(ge)正轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)，兩個(ge)(ge)(ge)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)，且(qie)對角(jiao)線上(shang)的(de)各個(ge)(ge)(ge)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)動(dong)方向相(xiang)(xiang)同。反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)扭(niu)(niu)(niu)矩(ju)的(de)大小與(yu)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速有關，當(dang)四(si)個(ge)(ge)(ge)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速相(xiang)(xiang)同時(shi)，四(si)個(ge)(ge)(ge)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)產生(sheng)的(de)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)扭(niu)(niu)(niu)矩(ju)相(xiang)(xiang)互平(ping)衡，四(si)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)飛(fei)行器(qi)(qi)不(bu)發生(sheng)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)動(dong)；當(dang)四(si)個(ge)(ge)(ge)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速不(bu)完全(quan)相(xiang)(xiang)同時(shi)，不(bu)平(ping)衡的(de)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)扭(niu)(niu)(niu)矩(ju)會引起四(si)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)飛(fei)行器(qi)(qi)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)動(dong)。在圖(tu) d中(zhong)，當(dang)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji) 1和(he)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji) 3 的(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速上(shang)升，電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji) 2 和(he)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji) 4 的(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速下降時(shi)，旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi) 1和(he)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)3對機(ji)(ji)(ji)(ji)身(shen)(shen)的(de)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)扭(niu)(niu)(niu)矩(ju)大于旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)2和(he)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)翼(yi)(yi)4對機(ji)(ji)(ji)(ji)身(shen)(shen)的(de)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)扭(niu)(niu)(niu)矩(ju)，機(ji)(ji)(ji)(ji)身(shen)(shen)便(bian)在富余反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)扭(niu)(niu)(niu)矩(ju)的(de)作用(yong)下繞(rao) z軸轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)動(dong)，實現(xian)飛(fei)行器(qi)(qi)的(de)偏航運動(dong)，轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向與(yu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji) 1、電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)3的(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向相(xiang)(xiang)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)。

（5）前后(hou)運(yun)動：要想實現(xian)飛(fei)(fei)(fei)行器(qi)在(zai)(zai)(zai)水(shui)平(ping)(ping)面內(nei)前后(hou)、左右的(de)運(yun)動，必須在(zai)(zai)(zai)水(shui)平(ping)(ping)面內(nei)對(dui)飛(fei)(fei)(fei)行器(qi)施加一定的(de)力。在(zai)(zai)(zai)圖 e中，增(zeng)加電機(ji) 3轉速，使(shi)拉力增(zeng)大，相應減小(xiao)電機(ji) 1轉速，使(shi)拉力減小(xiao)，同時保持其(qi)它兩個電機(ji)轉速不變(bian)，反(fan)扭矩仍然要保持平(ping)(ping)衡。按圖 b的(de)理論，飛(fei)(fei)(fei)行器(qi)首先發生(sheng)一定程度的(de)傾斜，從而使(shi)旋翼拉力產生(sheng)水(shui)平(ping)(ping)分量，因此可以實現(xian)飛(fei)(fei)(fei)行器(qi)的(de)前飛(fei)(fei)(fei)運(yun)動。向后(hou)飛(fei)(fei)(fei)行與(yu)向前飛(fei)(fei)(fei)行正好(hao)相反(fan)。（在(zai)(zai)(zai)圖 b 圖 c中，飛(fei)(fei)(fei)行器(qi)在(zai)(zai)(zai)產生(sheng)俯(fu)仰、翻滾運(yun)動的(de)同時也會產生(sheng)沿 x、y軸(zhou)的(de)水(shui)平(ping)(ping)運(yun)動。）

（6）傾向運動(dong)：在圖 f 中，由于結構(gou)對稱，所以(yi)傾向飛行的工作(zuo)原理與前后運動(dong)完(wan)全一樣(yang)。

四旋翼無人機的優缺點

常(chang)見飛行器通常(chang)被(bei)分(fen)為(wei)固定翼、直(zhi)升機和多(duo)旋(xuan)翼（四旋(xuan)翼最為(wei)主流）。

1、緣何青睞多旋翼

首先，我(wo)們以目前電動(dong)的固定(ding)翼、直升機和(he)多旋(xuan)翼為例比較(jiao)它們的用戶體驗：

在操(cao)控性方面(mian)，多旋(xuan)翼的(de)操(cao)控是最簡(jian)單的(de)。

它(ta)不需要跑(pao)道便(bian)可(ke)以垂(chui)直(zhi)起(qi)降，起(qi)飛(fei)(fei)后(hou)可(ke)在空(kong)中(zhong)懸停。它(ta)的(de)操控(kong)原理簡(jian)單，操控(kong)器(qi)(qi)四個遙感(gan)操作對(dui)應飛(fei)(fei)行(xing)(xing)器(qi)(qi)的(de)前后(hou)、左右(you)、上下和偏航方(fang)向的(de)運(yun)動(dong)。在自動(dong)駕駛儀(yi)方(fang)面，多(duo)旋翼自駕儀(yi)控(kong)制(zhi)方(fang)法簡(jian)單，控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)參數調節也很簡(jian)單。相對(dui)而言，學習固定翼和直(zhi)升(sheng)機的(de)飛(fei)(fei)行(xing)(xing)不是簡(jian)單的(de)事情。固定翼飛(fei)(fei)行(xing)(xing)場地要求開闊(kuo)，而直(zhi)升(sheng)機飛(fei)(fei)行(xing)(xing)過(guo)程中(zhong)會產(chan)生(sheng)通道間耦合，自駕儀(yi)控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)設計困難，控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)調節也很困難。

在可靠性方面，多旋翼也是表現最出(chu)色的。

若僅考慮機械的(de)可靠性(xing)，多(duo)旋(xuan)(xuan)翼(yi)沒有活動(dong)部(bu)件(jian)，它的(de)可靠性(xing)基(ji)本上(shang)取決于無刷電機的(de)可靠性(xing)，因此可靠性(xing)較高。相(xiang)比較而言，固定(ding)翼(yi)和直升機有活動(dong)的(de)機械連接部(bu)件(jian)，飛行過程(cheng)中會產生磨(mo)損，導(dao)致可靠性(xing)下(xia)降。而且多(duo)旋(xuan)(xuan)翼(yi)能夠懸停，飛行范(fan)圍受控(kong)，相(xiang)對固定(ding)翼(yi)更安全。

在勤務(wu)性(xing)方面(mian)，多旋翼的勤務(wu)性(xing)是(shi)最高(gao)的。

因(yin)其結構簡(jian)單，若電(dian)機(ji)、電(dian)子調速器、電(dian)池、槳和(he)機(ji)架損壞(huai)，很容易替換。而固(gu)定(ding)翼(yi)和(he)直升機(ji)零件(jian)比較多(duo)，安裝也需要技巧，相對比較麻煩(fan)。

在續(xu)航性(xing)能方面，多旋翼(yi)的表現明顯(xian)弱于(yu)其(qi)他兩款，其(qi)能量轉(zhuan)換效率低(di)下。

在承載性能方(fang)面，多旋翼(yi)也是三者中最差的。

對于這三種機型，操控(kong)性(xing)與(yu)飛(fei)機結構和飛(fei)行原理相(xiang)關(guan)，是(shi)很難改變的。在可靠性(xing)和勤務性(xing)方面，多(duo)旋(xuan)翼(yi)(yi)始(shi)終具備優勢(shi)。隨著電池能量密度的不斷提(ti)升(sheng)、材料的輕型化(hua)和機載設備的不斷小型化(hua)，多(duo)旋(xuan)翼(yi)(yi)的優勢(shi)將進一步凸顯。因此，在大眾市場，“剛性(xing)”體驗最終讓(rang)人們選擇了多(duo)旋(xuan)翼(yi)(yi)。

然而(er)，多旋翼(yi)也有自(zi)身的發展瓶頸。

它的運動和簡單結(jie)構都依賴于(yu)螺旋(xuan)槳及時(shi)的速度改變，以(yi)調整力和力矩(ju)，該方(fang)式不宜推廣到更大尺寸的多(duo)旋(xuan)翼。

第一、槳葉尺寸越大，越難迅速改變其速度。

正是因為如此，直升機主要(yao)是(shi)靠改變(bian)槳距而不是(shi)速度來改變(bian)升力。

第二、在大載重下，槳的剛性需要進一步提高。

螺旋(xuan)槳的(de)上(shang)下(xia)(xia)振動(dong)(dong)會(hui)導致剛性(xing)(xing)大的(de)槳很容易折(zhe)斷，這與我們平時來(lai)回折(zhe)鐵絲(si)便可將鐵絲(si)折(zhe)斷同理。因(yin)(yin)此，槳葉(xie)的(de)柔(rou)性(xing)(xing)是很重要(yao)的(de)，它可以減少槳葉(xie)來(lai)回旋(xuan)轉對槳葉(xie)根(gen)部(bu)的(de)影響。正因(yin)(yin)為如此，為了(le)(le)減少槳葉(xie)的(de)疲勞，直(zhi)升機(ji)采用了(le)(le)一個容許槳葉(xie)在(zai)旋(xuan)轉過程中上(shang)下(xia)(xia)運動(dong)(dong)的(de)鉸鏈。如果要(yao)提(ti)供大載重，多(duo)(duo)旋(xuan)翼(yi)也需要(yao)增(zeng)加活動(dong)(dong)部(bu)件(jian)或(huo)加入涵道和(he)整流片。這相當于一個多(duo)(duo)旋(xuan)翼(yi)含(han)有(you)多(duo)(duo)個直(zhi)升機(ji)結構(gou)。這樣多(duo)(duo)旋(xuan)翼(yi)的(de)可靠(kao)(kao)性(xing)(xing)和(he)維(wei)護(hu)性(xing)(xing)就會(hui)急劇下(xia)(xia)降(jiang)，優勢(shi)也就不(bu)那么明顯了(le)(le)。當然(ran)，另一種增(zeng)加多(duo)(duo)旋(xuan)翼(yi)載重能力的(de)可行方案(an)便是增(zeng)加槳葉(xie)數(shu)量，增(zeng)至18個或(huo)32個槳。但該(gai)方式會(hui)極大地(di)降(jiang)低(di)可靠(kao)(kao)性(xing)(xing)、維(wei)護(hu)性(xing)(xing)和(he)續(xu)航(hang)性(xing)(xing)。種種原因(yin)(yin)使人們最終選擇了(le)(le)微小型多(duo)(duo)旋(xuan)翼(yi)。