四旋翼飞行原理(Quadrotor Flight Principle)
首先四旋翼的各个飞行动作是根据四个螺旋桨产生的拉力以及力矩实现的。
以下以X型四旋翼为例。
首先安装是就要注意1、3同桨,2、4同桨。例如1、3正桨,2、4反桨。
然后就是接三相电机线,让1、3与2、4不同方向旋转。例如1、3逆时针,2、4顺时针。
如上图所示,螺旋桨旋转不仅会带来拉力,也会带来力矩,接下来我们按不同飞行动作逐个讨论。
悬停
悬停的思路是让力矩之和为0,也就是四旋翼自身不会旋转。
当四个螺旋桨同速度转动,力矩之和为0。
当这个速度满足产生的拉力等于自身重力时,四旋翼悬停。
升降
升降的思路和悬停一样,同样是让力矩之和为0,也是四个螺旋桨同速度转动,
当这个速度满足产生的拉力大于自身重力时,四旋翼上升;
当这个速度满足产生的拉力小于自身重力时,四旋翼下降。
前后
以悬停为前提,前后运动应该分为两个步骤来理解。
1.首先是前后螺旋桨不同速导致前后俯仰。
例如上图,同时同量减少1、4的转速,同时同量增加2、3的转速,会导致四旋翼向前俯仰。
向前俯仰的话四旋翼产生的升力就有了向前的水平分量,同时竖直分量减少。
2.所有螺旋桨同时增加速度以保证升力竖直分量能平衡重力,而水平分量就驱动前进。
例如上图,同时同量增加所有螺旋桨的速度,以增大升力,抵消重力。
但是我们实际操作时不能将其分为两个步骤来进行,我们应该把他们合成在一起,
例如1、4电机减少1,而2、3电机增加1导致步骤1的俯仰,同时全部电机增加0.2以平衡重力。
合成到最后也就是1、4电机减少0.8,而2、3电机增加1.2可以导致四旋翼前进。
四旋翼的后退同理。
左右
左右和前后其实类似,也是分为两个步骤来理解,先向左右翻滚,然后再同时同量增加拉力以抵消重力。
偏航(yaw)
同时同量增加1、3的转速,同时同量减少2、4的转速,
由牛三可知,
1、3(逆时针)的增速,会导致顺时针的力矩增加,
2、4(顺时针)的减速,会导致逆时针的力矩减少
综上,四旋翼将顺时针偏航。
逆时针同理。
俯仰(pitch)
俯仰在四旋翼前后运动时就有提及。同时同量增加2、3的转速,同时同量减少1、4的转速,就能向前俯仰。
向后同理。
翻滚(roll)
翻滚在四旋翼左右运动时就有提及。同时同量增加3、4的转速,同时同量减少1、2的转速,就能向右翻滚。
向左同理。
总结
以1,4之间为机头。
(其中1-0.8=0.2、1+1.2=2.2)
电机1 | 电机2 | 电机3 | 电机4 | ||
---|---|---|---|---|---|
悬停 | 1 | 1 | 1 | 1 | |
升降(数值相等) | 升 | >1 | >1 | >1 | >1 |
降 | <1 | <1 | <1 | <1 | |
前后 | 前 | 0.2 | 2.2 | 2.2 | 0.2 |
后 | 2.2 | 0.2 | 0.2 | 2.2 | |
左右 | 左 | 2.2 | 2.2 | 0.2 | 0.2 |
右 | 0.2 | 0.2 | 2.2 | 2.2 | |
偏航(增量减量相等) | 左偏 | <1 | >1 | <1 | >1 |
右偏 | >1 | <1 | >1 | <1 | |
俯仰(增量减量相等) | 前俯 | <1 | >1 | >1 | <1 |
后仰 | >1 | <1 | <1 | >1 | |
翻滚(增量减量相等) | 左翻 | >1 | >1 | <1 | <1 |
右翻 | <1 | <1 | >1 | >1 |