多旋翼飛行器原理.doc

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四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)和原理 1.結(jié)構(gòu)形式 旋翼對稱分布在機(jī)體的前后、左右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，四個電機(jī)對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計算機(jī)和外部設(shè)備。結(jié)構(gòu)形式如圖 1.1所示。 2.工作原理 四旋翼飛行器通過調(diào)節(jié)四個電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機(jī)，但只有四個輸入力，同時卻有六個狀態(tài)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)。 四旋翼飛行器的電機(jī) 1和電機(jī) 3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機(jī) 2和電機(jī) 4順時針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時，陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消。 在上圖中，電機(jī) 1和電機(jī) 3作逆時針旋轉(zhuǎn)，電機(jī) 2和電機(jī) 4作順時針旋轉(zhuǎn)，規(guī)定沿 x軸正方向運(yùn)動稱為向前運(yùn)動，箭頭在旋翼的運(yùn)動平面上方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，在下方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。 （1）垂直運(yùn)動：同時增加四個電機(jī)的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當(dāng)總拉力足以克服整機(jī)的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時減小四個電機(jī)的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實現(xiàn)了沿 z軸的垂直運(yùn)動。當(dāng)外界擾動量為零時，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態(tài)。 （2）俯仰運(yùn)動：在圖（b）中，電機(jī) 1的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速下降（改變量大小應(yīng)相等），電機(jī) 2、電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速保持不變。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞 y 軸旋轉(zhuǎn)，同理，當(dāng)電機(jī) 1 的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī) 3的轉(zhuǎn)速上升，機(jī)身便繞y軸向另一個方向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動。 （3）滾轉(zhuǎn)運(yùn)動：與圖 b 的原理相同，在圖 c 中，改變電機(jī) 2和電機(jī) 4的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī)1和電機(jī) 3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機(jī)身繞 x 軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動。（4）偏航運(yùn)動：旋翼轉(zhuǎn)動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉(zhuǎn)動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉(zhuǎn)，兩個反轉(zhuǎn)，且對角線上的各個旋翼轉(zhuǎn)動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時，四個旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動；當(dāng)四個電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動。在圖 d中，當(dāng)電機(jī) 1和電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī) 2 和電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速下降時，旋翼 1和旋翼3對機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞 z軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動，轉(zhuǎn)向與電機(jī) 1、電機(jī)3的轉(zhuǎn)向相反。 （5）前后運(yùn)動：要想實現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運(yùn)動，必須在水平面內(nèi)對飛行器施加一定的力。在圖 e中，增加電機(jī) 3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機(jī) 1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時保持其它兩個電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。按圖 b的理論，飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實現(xiàn)飛行器的前飛運(yùn)動。向后飛行與向前飛行正好相反。（在圖 b 圖 c中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運(yùn)動的同時也會產(chǎn)生沿 x、y軸的水平運(yùn)動。） （6）傾向運(yùn)動：在圖 f 中，由于結(jié)構(gòu)對稱，所以傾向飛行的工作原理與前后運(yùn)動完全一樣。 首先聲明本人也是菜鳥，此教程就是從一個菜鳥的角度來講解，現(xiàn)在論壇上的帖子都突然冒很多名詞出來，又不成體系，我自己開始學(xué)的時候往往一頭霧水，相信很多新手也一樣。所以在這個帖子里面，我都會把自己遇到的疑惑逐一講解。 【概述】 1、diy四軸需要準(zhǔn)備什么零件 無刷電機(jī)（4個） 電子調(diào)速器（簡稱電調(diào)，4個，常見有好盈、中特威、新西達(dá)等品牌） 螺旋槳（4個，需要2個正漿，2個反漿） 飛行控制板（常見有KK、FF、玉兔等品牌） 電池（11.1v航模動力電池） 遙控器（最低四通道遙控器） 機(jī)架（非必選） 充電器(盡量選擇平衡充電器) 2、四軸零件之間的接線與簡單說明 1.jpg (27.83 KB, 下載次數(shù): 293) 下載附件 保存到相冊 2012-3-4 18:04 上傳 4個電調(diào)的正負(fù)極需要并聯(lián)（紅色連一起，黑色連1一起），并接到電池的正負(fù)極上； 電調(diào)3根黑色的電機(jī)控制線，連接電機(jī)； 電調(diào)有個BEC輸出，用于輸出5v的電壓，給飛行控制板供電，和接收飛行控制板的控制信號； 遙控接收器連接在飛行控制器上，輸出遙控信號，并同時從飛行控制板上得到5v供電； 【基本原理與名詞解釋】 1、遙控器篇 什么是通道？ 通道就是可以遙控器控制的動作路數(shù)，比如遙控器只能控制四軸上下飛，那么就是1個通道。但四軸在控制過程中需要控制的動作路數(shù)有：上下、左右、前后、旋轉(zhuǎn) 所以最低得4通道遙控器。如果想以后玩航拍這些就需要更多通道的遙控器了。 什么是日本手、美國手？ 遙控器上油門的位置在右邊是日本手、在左邊是美國手，所謂遙控器油門，在四軸飛行器當(dāng)中控制供電電流大小，電流大，電動機(jī)轉(zhuǎn)得快，飛得高、力量大。反之同理。判斷遙控器的油門很簡單，遙控器2個搖桿當(dāng)中，上下板動后不自動回到中間的那個就是油門搖桿。 2、飛行控制板篇 一般簡稱飛控就是這個東西了。 飛控的用途？ 如果沒有飛控板，四軸飛行器就會因為安裝、外界干擾、零件之間的不一致型等原因形成飛行力量不平衡，后果就是左右、上下的胡亂翻滾，根本無法飛行，飛控板的作用就是通過飛控板上的陀螺儀，對四軸飛行狀態(tài)進(jìn)行快速調(diào)整（都是瞬間的事，不要妄想用人肉完成），如發(fā)現(xiàn)右邊力量大，向左傾斜，那么就減弱右邊電流輸出，電機(jī)變慢，升力變小，自然就不再向左傾斜。 什么是x模式和+模式？ 2.jpg (12.51 KB, 下載次數(shù): 268) 下載附件 保存到相冊 2012-3-4 18:05 上傳 購買飛控的時候老板都要問這個問題，刷買什么模式的，以上就是區(qū)別。 X模式要難飛一點，但動作更靈活。+模式要好飛一點，動作靈活差一點，所以適合初學(xué)者。 特別注意，x模式和+模式的飛控安裝是不同的（我只有kk飛控板，所以只能講kk飛控）。 如果飛控板安裝錯誤，會劇烈的晃動，根本無法飛。 3.jpg (27 KB, 下載次數(shù): 299) 下載附件 保存到相冊 2012-3-4 18:05 上傳 、 4.jpg (25.88 KB, 下載次數(shù): 293) 下載附件 保存到相冊 2012-3-4 18:05 上傳 選什么飛控好？ 個人意見初學(xué)的先來個kk飛控吧，最便宜，嘗個鮮夠用了。 電調(diào)篇 為什么需要電調(diào)？ 電調(diào)的作用就是將飛控板的控制信號，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯拇笮?，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 因為電機(jī)的電流是很大的，通常每個電機(jī)正常工作時，平均有3a左右的電流，如果沒有電調(diào)的存在，飛控板根本無法承受這樣大的電流（另外也沒驅(qū)動無刷電機(jī)的功能）。 同時電調(diào)在四軸當(dāng)中還充當(dāng)了電壓變化器的作用，將11.1v的電壓變?yōu)?v為飛控板和遙控器供電。 買多大的電調(diào)？ 電調(diào)都會標(biāo)上多少A，如20a，40a 這個數(shù)字就是電調(diào)能夠提供的電流。大電流的電調(diào)可以兼容用在小電流的地方。小電流電調(diào)不能超標(biāo)使用。 根據(jù)我簡單測試，常見新西達(dá)2212加1045漿最大電機(jī)電流有可能達(dá)到了5a，為了保險起見，建議這樣配置用30a 或 40a電調(diào)（大家用20a電調(diào)的也多），說買大一點，以后還可以用到其他地方去。 四軸專用電調(diào)是什么意思？ 因為四軸飛行要求，電調(diào)快速響應(yīng)，而電調(diào)有快速響應(yīng)和慢速響應(yīng)的區(qū)別，所以四軸需要快速響應(yīng)的電調(diào)。 其實大多數(shù)常見電調(diào)是可以編程的，能通過編程來設(shè)置響應(yīng)速度。所以其實并沒有什么專用一說。 電調(diào)編程什么意思？ 首先要說明電調(diào)是有很多功能模式的，選擇這個功能就是對電調(diào)編程。 編程的途徑可以直接將電調(diào)連接至遙控接收機(jī)的油門輸出通道（通常是3通道），按說明書，在遙控器上通過搬動搖桿進(jìn)行設(shè)置，這個方法比較麻煩，但節(jié)約。另外，還可以通過廠家的編程卡來進(jìn)行設(shè)置（需要單獨購買），方法簡單，無需接遙控器。 為了保險，一定要將購買的電調(diào)設(shè)置一致，否則容易難于控制。如：電調(diào)的啟動模式不一樣，那么有些都轉(zhuǎn)很快了，有些還很慢，這就有問題了。 注：通過遙控器進(jìn)行設(shè)置電調(diào)，一定要接上電機(jī)，因為說明書上說的“滴滴”類的聲音，是通過電機(jī)發(fā)出來的。我開始就是因為沒有接電機(jī)，還疑惑怎么沒聲音，以為壞了。 無刷電機(jī)與螺旋槳篇 電機(jī)分為有刷電機(jī)和無刷電機(jī)，不要買錯了，無刷是四軸的主流。它力氣大，耐用。 電機(jī)的型號含義？ 經(jīng)?？慈苏f什么2212電機(jī)，2018電機(jī)等等，到底是什么意思呢？這其實電機(jī)的尺寸。 不管什么牌子的電機(jī)，具體都要對應(yīng)4位這類數(shù)字，其中前面2位是電機(jī)轉(zhuǎn)子的直徑，后面2位是電機(jī)轉(zhuǎn)子的高度。注意，不是外殼哦。 簡單來說，前面2位越大，電機(jī)越肥，后面2位越大，電機(jī)越高。 又高又大的電機(jī)，功率就更大，適合做大四軸。通常2212電機(jī)是最常見的配置了。 5.jpg (16.8 KB, 下載次數(shù): 277) 下載附件 保存到相冊 2012-3-4 18:05 上傳 什么是電機(jī)kv值？ 每個無刷電機(jī)都會標(biāo)準(zhǔn)多少kv值，這個kv是外加1v電壓對應(yīng)的每分鐘空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，例如：1000kv電機(jī)，外加1v電壓，電機(jī)空轉(zhuǎn)時每分鐘轉(zhuǎn)1000轉(zhuǎn)，外加2v電壓，電機(jī)空轉(zhuǎn)就2000轉(zhuǎn)了。 槳的型號含義？ 同電機(jī)類似，槳也有啥1045,7040這些4位數(shù)字，前面2位代表槳的直徑（單位：英寸1英寸=254毫米）后面2位是槳的角度。 什么是正反槳，為什么需要它？ 四軸飛行為了抵消螺旋槳的自旋，相隔的槳旋轉(zhuǎn)方向是不一樣的，所以需要正反槳。正反槳的風(fēng)都向下吹。適合順時針旋轉(zhuǎn)的叫正漿、適合逆時針旋轉(zhuǎn)的是反漿。安裝的時候，一定記得無論正反槳，有字的一面是向上的（槳葉圓潤的一面要和電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向一致）。 電機(jī)與螺旋槳的搭配 這是非常復(fù)雜的問題，我自己也在研究當(dāng)中，所以建議采用大家常見的配置吧，但原理這里可以闡述一下。 螺旋槳越大，升力就越大，但對應(yīng)需要更大的力量來驅(qū)動； 螺旋槳轉(zhuǎn)速越高，升力越大； 電機(jī)的kv越小，轉(zhuǎn)動力量就越大； 綜上所述，大螺旋槳就需要用低kv電機(jī)，小螺旋槳就需要高kv電機(jī)（因為需要用轉(zhuǎn)速來彌補(bǔ)升力不足） 如果高kv帶大槳，力量不夠，那么就很困難，實際還是低俗運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)和電調(diào)很容易燒掉。 如果低kv帶小槳，完全沒有問題，但升力不夠，可能造成無法起飛。 例如：常用1000kv電機(jī)，配10寸左右的槳。 電池和充電器篇 為什么要選鋰電池？ 同樣電池容量鋰電最輕，起飛效率最高。 電池的多少mah時什么意思？ 表示電池容量，如1000mah電池，如果以1000ma放電，可持續(xù)放電1小時。如果以500mh放電，可以持續(xù)放電2小時。 電池后面的2s，3s，4s什么意思？ 代表鋰電池的節(jié)數(shù)，鋰電池1節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.7v，那么2s電池，就是代表有2個3.7v電池在里面，電壓為7.4v。 電池后面多少c是什么意思？ 代表電池放電能力，這是普通鋰電池和動力鋰電池最重要區(qū)別，動力鋰電池需要很大電流放電，這個放電能力就是C來表示的。如1000mah電池標(biāo)準(zhǔn)為5c，那么用5x1000mah，得出電池可以以5000mh的電流強(qiáng)度放電。 這很重要，如果用低c的電池，大電流放電，電池會迅速損壞，甚至自燃。 多少c快充是什么意思？ 這個與上面的c一樣，只是將放電變成了充電，如1000mah電池，2c快充，就代表可以用2000ma的電流來充電。所以千萬不要圖快冒然用大電流，超過規(guī)定參數(shù)充電，電池很容易損壞。 怎么配電池？ 這與選擇的電機(jī)、螺旋槳，想要的飛行時間相關(guān)。 容量越大，c越高，s越多，電池越重； 基本原理是用大槳，因為整體搭配下來功率高，自身升力大，為了保證可玩時間，可選高容量，高c，3s以上電池。最低建議1500mah，20c，3s。 小四軸，因為自身升力有限，整體功率也不高，就可以考慮小容量，小c，3s以下電池。（沒玩過，不做建議） 平衡充電什么意思 如3s電池，內(nèi)部是3個鋰電池，因為制造工藝原因，沒辦法保證每個電池完全一致，充電放電特性都有差異，電池串聯(lián)的情況下，就容易照常某些放電過度或充電過度，充電不飽滿等，所以解決辦法是分別對內(nèi)部單節(jié)電池充電。動力鋰電都有2組線，1組是輸出線（2根），1組是單節(jié)鋰電引出線（與s數(shù)有關(guān)），充電時按說明書，都插入充電器內(nèi)，就可以進(jìn)行平衡充電了。 機(jī)架篇 機(jī)架的軸長短有沒有規(guī)定？ 理論上講，只要4個螺旋槳不打架就可以了，但要考慮到，螺旋槳之間因為旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的亂流互相影響，建議還是不要太近，否則影響效率。 這也是為什么四軸用2葉螺旋槳比用3葉螺旋槳多的原因之一（3葉的還有個缺點，平衡不好做） 【實戰(zhàn)調(diào)試】 安裝好四軸以后是需要做一些準(zhǔn)備工作的，這里以我用過的kk飛控為例 Kk飛控的連接 6.jpg (53.28 KB, 下載次數(shù): 313) 下載附件 保存到相冊 2012-3-4 18:05 上傳 飛控解鎖 飛控接上電不是馬上可以起飛的，這是安全設(shè)計，所以需要解鎖。（飛控設(shè)置略，很多攻略了） 通上電，飛控板上的燈是不亮的，只有電調(diào)發(fā)出的滴滴聲，將油門打到最低（注意油門方向，需要實現(xiàn)確定是設(shè)置的向上為最低，還是向下為最低），然后方向舵向右板到底，飛控板的燈就會亮，電調(diào)也不會再繼續(xù)發(fā)聲，說明準(zhǔn)備好起飛了。 螺旋槳的安裝 調(diào)試完畢，最后安裝螺旋槳，安裝好后，第一件事是拿手上，輕加油門，看看是否風(fēng)都往下吹，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是否是正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)間隔的。如果劇烈抖動，并且升力很小，就應(yīng)該是正反漿沒有安裝對。交換一下。如果旋轉(zhuǎn)方向不是間隔的，就需要將電調(diào)和電機(jī)的連接線1和3，交換一下，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)方向校正。次序為，先方向，后螺旋槳。 注意電池過放 電調(diào)是可以設(shè)置電池低壓保護(hù)的，但盡量不要等電調(diào)保護(hù)的時候才充電，這樣可以延長使用壽命。 我怎么知道能正常起飛？ 一切準(zhǔn)備完畢，怎么知道可以試飛了呢，我個人建議為了避免匆忙上馬，秒炸。先拿手上試飛比較好，但要注意離身體距離。 拿手上通電，加油門，如果一切正常，四軸是 不會大幅度的晃動的，而是比較平穩(wěn)。還可以故意左右晃動一下，會感覺到四軸保持平衡的反力量，只要達(dá)到這個效果，就基本達(dá)到了試飛的條件。kk飛控我復(fù)位了好幾次，只要沒有意外，是基本都能成功的。 試飛場地建議選草坪，這樣的不容甩壞。 我感覺初學(xué)者最容易犯的錯誤是看見一飛高，緊張了就猛減油門，這樣就會垂直落地，一定要有心理準(zhǔn)備，只要不傷人，在比較高的情況下，還是慢減油門比較好。 最后秀一下我做的第一個四軸，還不完善，工藝較差。 7.jpg (44.93 KB, 下載次數(shù): 287) 下載附件 保存到相冊 2012-3-4 18:05 上傳