四旋翼飛行器設(shè)計(jì)資料(編輯修改稿)
2024-07-26 21:53 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 的關(guān)鍵技術(shù) 迄今為止 ， 微小型 四旋翼 飛行 器基礎(chǔ)理論與實(shí) 驗(yàn)研究 已取得較大進(jìn)展 ， 但要真正走 向成熟與實(shí)用 ， 還面臨著諸多關(guān)鍵技術(shù)的挑戰(zhàn)。 1 最優(yōu)化總體設(shè)計(jì) 進(jìn)行微小型四旋翼飛行器總體設(shè)計(jì)時(shí)，需要遵循以下原則： 重量輕、 尺寸小、速度快、能耗和成本低。但這幾項(xiàng)原則相互之間存在著制約與矛盾， 例如：飛行器 重量相同時(shí)，其尺寸與速度、 能耗成反比 。因此， 進(jìn) 行微小型四旋翼飛行器總體設(shè)計(jì)時(shí)， 首先要根據(jù)性能 和價(jià)格選擇合適的機(jī)構(gòu)材料，盡可能地減輕飛行器重量；其次，需要綜合考慮重量、尺寸、飛行速度和能耗等 因素，確保實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。 2 動力與能源 動力裝置包括 ：旋翼、微型直流電機(jī) 、減速箱、光電碼盤和電機(jī)驅(qū)動模塊，能量由機(jī)載電池提供。微小型四旋翼飛行器的重量是影響其尺寸的主要因素，而動力與能源裝置的重量在整個(gè)機(jī)體重量中占 了很大比例。對于 0 S 4 I I ，該比例就高達(dá) 7 5 ％ 。 因此，研制更輕、更高效的動力與能源裝置是進(jìn)一步微小型化四旋翼飛行器的關(guān)鍵。 另一方面，動力裝置產(chǎn)生升力時(shí)，消耗了絕大部分機(jī)載能量。例如， 0 S 4 I I 的電能有 9 1 ％被動力裝置消耗。要提高飛行器的效率，關(guān)鍵在于提高動力裝置的效率。除盡量提高機(jī)械傳動效率外，還必須選擇合適的電機(jī)與減速比在兼顧最大效率和最大輸出功率兩項(xiàng)指標(biāo)的前提下將電機(jī)工作點(diǎn)配置在推薦運(yùn)行區(qū)域內(nèi)。3 數(shù)學(xué)模型的建立 為實(shí)現(xiàn)對微小型四旋翼飛行器的有效控制，必須準(zhǔn)確建立其在各種飛行狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型。但是飛行過程中，它不僅同時(shí)受到多種物理效應(yīng) 的作用 ( 空氣動力、 重力 、 陀螺效應(yīng) 和旋翼慣量矩等 ) ， 還很 容易受到氣流等外部環(huán)境的干擾 。因此，很難建立有效、 可靠的動力學(xué)模型。此外，所使用的旋翼尺 寸小、質(zhì)量輕 、易變形 ， 很難獲得準(zhǔn)確的氣動性能參 數(shù)，也將直接影響模型的準(zhǔn)確性。 建立四旋翼 M A V數(shù)學(xué)模型時(shí)，還必須深入研究和解決低雷諾數(shù)條件下旋翼空氣動力學(xué)問題。微型飛行器空氣動力學(xué)特性與常規(guī)飛行器有很大的不 同，當(dāng)前許多空氣動力學(xué)理論和分析工具均不適用，需要發(fā)展新的理論和研究手段 。 4 飛行控制 微小型四旋翼飛行器是一個(gè)具有六自由度( 位 置與姿態(tài) ) 和 4個(gè)控制輸入( 旋翼轉(zhuǎn)速) 的欠驅(qū)動系 統(tǒng)( U n d e r a c t u a t e d S y s t e m) u ， 具有多變量、非線性 、強(qiáng) 耦合和干擾敏感的特性， 使得飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 變得非常困難 。此外 ，控制器性能還將受到模型準(zhǔn) 確性和傳感器精度的影響。 姿態(tài)控制是整個(gè)飛行控制的關(guān)鍵，因?yàn)槲⑿⌒?四旋翼飛行器的姿態(tài)與位置存在直接耦合關(guān)系( 俯 仰／ 橫滾直接引起機(jī)體向前后／ 左右移動) ， 如果能精 確控制飛行器姿態(tài) ， 則采用 P I D控制律就足以實(shí)現(xiàn) 其位置與速度控制。國際相關(guān)研究都著重進(jìn)行了姿 態(tài)控制器的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證， 結(jié)果表明： 盡管采用非線性 控制律能夠獲得很好的仿真效果 ， 但由于對模型準(zhǔn)確性有很強(qiáng)的依賴， 其實(shí)際控制效果反而不如 P I D 。因此 ， 研制既能精確控制飛行器姿態(tài)， 又具 有較強(qiáng)抗干擾和環(huán)境 自適應(yīng)能力的姿態(tài)控制器是微小型四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)研究的當(dāng)務(wù)之急。五．四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式和工作原理：直升機(jī)在巧妙使用總距控制和周期變距控制之前，四旋翼結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是一種最簡單和最直觀的穩(wěn)定控制形式。但由于這種形式必須同時(shí)協(xié)調(diào)控制四個(gè)旋翼的狀態(tài)參數(shù)，這對駕駛員認(rèn)為操縱來說是一件非常困難的事，所以該方案始終沒有真正在大型直升機(jī)設(shè)計(jì)中被采用。這里四旋翼飛行器重新考慮采用這種結(jié)構(gòu)形式，主要是因?yàn)榭偩嗫刂坪椭芷谧兙嗫刂齐m然設(shè)計(jì)精巧，控制靈活，但其復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)卻使它無法再小型四旋翼飛行器設(shè)計(jì)中應(yīng)用。另外，四旋翼飛行器的旋翼效率相對很低，從單個(gè)旋翼上增加拉力的空間是非常有限的，所以采用多旋翼結(jié)構(gòu)形式無疑是一種提高四旋翼飛行器負(fù)載能力的最有效手段之一。至于四旋翼結(jié)構(gòu)存在控制量較多的問題，則有望通過設(shè)計(jì)自動飛行控制系統(tǒng)來解決。四旋翼飛行器采用四個(gè)旋翼作為飛行的直接動力源，旋翼對稱分布在機(jī)體的前后、左右四個(gè)方向，四個(gè)旋翼處于同一高度平面，且四個(gè)旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，旋翼1和旋翼3 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋翼2和旋翼4 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，四個(gè)電
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