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四旋翼飞行器

归档日期:07-12       文本归类:飞机布雷      文章编辑:爱尚语录

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  四旋翼飞行器也称为四旋翼直升机,是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器,可以搭配微型相机录制空中视频。

  在大学里,一些对四旋翼直升机感兴趣的大学生将数学算法运用到机器当中,创造出了极富智能的四旋翼直升机,TED讲坛中有所诠释。

  Quadrotor,Four-rotor,4 rotors helicopter,X4-flyer

  四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源,旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向,四个旋翼处于同一高度平面,且四个旋翼的结构和半径都相同,旋翼1 和旋翼3 逆时针旋转,旋翼2 和旋翼4 顺时针旋转,四个电机对称的安装在飞行器的支架端,支架中间空间安放飞行控制计算机和

  典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾浆。他们是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角,从而控制直升机的姿态和位置。四旋翼飞行器与此不同,是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速,实现升力的变化,从而控制飞行器的姿态和位置。由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化,这样会导致其动力不稳定,所以需要一种能够长期确保稳定的控制方法。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直起降机,因此非常适合静态和准静态条件下飞行。但是四旋翼飞行器只有四个输入力,同时却有六个状态输出,所以它又是一种欠驱动系统。

  四旋翼飞行器的结构形式如图1所示,电机1 和电机3 逆时针旋转的同时,电机2 和电机4 顺时针旋转,因此当飞行器平衡飞行时,陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。与传统的直升机相比,四旋翼飞行器有下列优势:各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反,因此当电机1 和电机3 逆时针旋转的同时,电机2 和电机4 顺时针旋转,可以平衡旋翼对机身的反扭矩。

  对于四旋翼飞行器来说,选用恰当的坐标系,可使运动方程的形式简单,便于分析和求解。描述飞行器的转动和移动,可以选用机体坐标系。确定飞行器的位置,必须选用地面坐标系。上述坐标系是笛卡尔右手定则直角坐标系。定义的两个坐标系如图2 所示,分别为地面坐标系E(X ,Y, Z)和机体坐标系B( Xb, Yb, Zb ) 。

  控制航行姿态的依据就是航姿传感器输出的信号。航姿传感器至少包括倾角传感器和角速度传感器。而倾角传感器可以利用三轴加速度传感器间接实现。既然是加速度传感器,那么它输出的信号表征的是当前三个轴向的加速度值,如果飞行器在空间中保持静止,那么加速度值通过简单的换算就可以得到真实的倾角参数。

  但是飞行器在空间中是不可能时刻保持静止不动的,譬如在侧风的影响下,飞行器可能会向某一个方向偏离,那么此时即使飞行器确实保持水平,但三轴加速度传感器的输出仍会偏离中心值,造成控制核心的误判。

  为避免这种情况的出现,则需要引入三轴角速度传感器和超声测距仪,利用三个轴向上的角速度和Z轴方向上的加速度以及实时高度的变化率对X、Y轴方向上的加速度进行校正,从而得出真实的倾角信息。传感器的输出信号经过模拟放大和模拟滤波之后送入AD变换电路转换为数字信号送入MCU(Microprocessor Control Unit ),由MCU进行包括但不仅限于kalman滤波等的数字信号处理,再依据MCU中的整套航姿控制算法得出控制量,送入专司电机控制的MCU中对电机进行实时控制,同时要避免各传感器间结果的冲突乃至矛盾。

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