无人机相关理论及飞行控制

在我们地球的三维空间,我们通常用3个轴的矢量位移来描述一个物体在三维空间的运动和位置,这三个轴通常表示为X(经度),Y(纬度)和Z(高度)。围绕这3个轴的转动所引起三种不同的运动被称为Roll, Pitch 和Yaw.

多旋轴飞行器的移动

Roll - 以X轴为轴心进行旋转,使得飞行器产生左右移动的倾角
Pitch - 以Y轴为轴心进行旋转,使得飞行器产生前后移动的倾角
Yaw - 以Z轴为轴心进行旋转,改变飞行器在水平上机头朝向

Roll,pitch和Yaw的运动都由飞控员通过对控制器上的4个油门进行操作而完成。每种移动的快慢都可以通过改变对相应的油门大小来完成。

四轴飞行器的飞行原理之操控:当控制多旋轴飞行器时,了解我们如何能控制飞行器的各种运动是非常重要的。多旋轴飞行器的各种运动都是同改变电机转速来实现的。电机带动各轴上的螺旋桨旋转而产生升力,飞控员通过准确调整各轴上的电机的相对速度,而使得多旋轴飞行器可以完成roll, pitch 和yaw的运动或者上升或下降。

Roll 和Pitch运动:要飞行器能够完成roll的动作,飞控员要使以X轴为对称的两侧的其中一侧的一对电机旋转得比另一侧快,这样使得这一侧的螺旋桨产生比另一侧更大的升力来完成roll的动作。要飞行器能够完成pitch的动作,飞控员要使以Y轴为对称的两侧的其中一侧的一对电机旋转得比另一侧快,这样使得这一侧的螺旋桨产生比另一侧更大的升力来完成pitch的动作。

控制飞行高度:在地球上的所有物体都受到地球引力的作用,方向向地心,这个力就叫做重力。为了让飞行器飞起来,我们就要让飞行器产生一个向上的力来克服重力,这个力就叫做升力。多旋轴飞行器的所有螺旋桨都能产生升力。因此多旋轴飞行器的螺旋桨的外形也设计得和固定翼飞机的机翼相类似。当螺旋桨旋转时,螺旋桨推动空气施加向下的力,同时(还是牛顿第三定律)空气也对螺旋桨产生向上的升力,当升力大于重力,飞行器上升;当升力等于重力,飞行器悬停;当升力小于重力,飞行器下降。

重心:我们通常都假设重力作用在一个物体的某个点上,这个点就叫做重心。而这个重心也位于和一条指向地心的线上,我们叫它重心线。我们暂且将这条线实物化为一条杆子。如果一个物体的重心落在这条杆子上,那么这个物体也就能达到平衡坐在杆子上,或以这条杆子为轴心进行水平旋转。如果物体的形状发生改变,使得重心离开了这条杆子,物体也会失去平衡而翻到。所以我们在飞行器上挂载负荷的时候,要尽量靠近重心线。当飞行器倾斜角度越大,推力的作用在水平方向的矢量就越大,作用在垂直方向的矢量就越小。如果飞行器要悬停在一个高度,垂直方向的矢量的力必须和重力相等。所以当飞行器倾斜的时候,总推力必须要加大而让垂直方向的矢量的力和重力保持平衡,这样,飞行器才能水平悬停。倾斜角度越大,需要的油门也越大。

当飞行器倾斜角度大于一个临界值时,就算油门全开,所产生的升力也不能抵消重力,这时炸鸡就来了。这种情况常见于手动模式飞行。

地面效应:所有的地面效应都是因为螺旋桨推动空气向下,使得飞行器下方的气压上升所造成的。当飞行器接近地面时,下行的气流到达了地面不能再继续往下扩散,也就会在飞行器旋翼下方形成一个高气压区域。有趣的是,这个高压区会使得旋翼所受的阻力减少,因此升力也就相应的增加(牛顿继续看过来)。因此,在地面效应下,飞行器可以用更少的燃料进行飞行。气垫船就是这个原理。地面效应通常出现在起飞和降落的时候。但在地面效应的影响下,飞行器比较不稳定。越靠近地面,地面效应越强。通常30厘米左右会逐渐消失,这个和飞行器大小有关。因此飞行过程中应尽量避免地面效应。地面效应同理也会在水面产生。

补偿性控制:多旋轴飞行器主要有4个主要的飞行姿态:油门,roll, pitch和yaw。这些飞行姿态都是通过飞控员调整控制杆输出量来控制。但是当这些飞行器飞行姿态改变的时候,会有一个副效应作用也飞行器上。

试想一下,当飞行器向前飞行的时候,突然来一个90度的Yaw的动作,飞行器就会发生“脱轨”。大家可以试想一下开个车以100km/h狂奔,突然将方向盘向左打满,会发生什么情况。因此,为了让飞行器转个靓弯,我们就要同时让飞行器同时完成一个roll的动作,让飞行器向转弯方向倾斜,有个向心力,不会让飞行器“脱轨”。这就是为什么高速公路转弯的地方,路面向内倾斜的原因。

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