四旋翼飛行器演示儀的研究與設(shè)計(jì)

馬振江 趙永輝 蔣恒 侯曉峰 沈曉玉 馬國利

摘? 要：四旋翼飛行器演示儀可以清晰直觀的展示在空中是如何做前后左右平移、上升下降等基本動(dòng)作。使用皮帶傳動(dòng)的方式來演示四旋翼的六自由度運(yùn)動(dòng)過程，舵機(jī)用來演示四旋翼前后左右的傾斜方向，這樣既能精確控制又能保證演示的安全性。

關(guān)鍵詞：四旋翼;飛行原理;控制

中圖分類號：V22? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）32-0084-03

Abstract： The four-rotorcraft demonstration instrument can clearly and intuitively show how the basic movements are about how to do it before and after the movement， rise and fall. The use of belt drive to demonstrate the four-rotor six-degree-of-freedom movement process， the steering gear used to demonstrate the four rotor before and after the tilt direction， so that both accurate control and the safety of the demonstration can beguaranteed.

Keywords： four rotor; flight principle; control

引言

四旋翼飛行器是一種結(jié)構(gòu)新穎、性能卓越的新型無人飛行器，涉及眾多領(lǐng)域的高、精、尖技術(shù)，具備重要的應(yīng)用價(jià)值[1]。關(guān)于四旋翼飛行器不少人對它有一種神秘感，并不能理解這樣的一個(gè)“怪物”是如何在空中靈活運(yùn)動(dòng)的。隨著無人機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)在大家都把重點(diǎn)放在了無人機(jī)性能、功能以及應(yīng)用方面的研究，卻忽略了普通人并不知道四旋翼為什么能夠在空中靈活運(yùn)動(dòng)，這使得四旋翼雖然走進(jìn)了千家萬戶，對它卻還是一知半解。研究設(shè)計(jì)一款四旋翼飛行器演示儀將為人們解開四旋翼的神秘面紗。設(shè)計(jì)的這款四旋翼飛行演示儀通過機(jī)械裝置來演示四旋翼的運(yùn)動(dòng)過程，讓四旋翼的運(yùn)動(dòng)原理一目了然。四旋翼的飛行原理和理論數(shù)據(jù)是四旋翼演示儀的理論基礎(chǔ)。

1 四旋翼飛行原理

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，四個(gè)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器和外部設(shè)備[2]。結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機(jī)，雖只有四個(gè)輸入力，卻有六個(gè)狀態(tài)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[3]。四旋翼飛行器的電機(jī)1和電機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2和電機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí)，陀螺效應(yīng)和空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消。在圖2所示中，電機(jī)1和電機(jī)3作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)2和電機(jī)4作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，規(guī)定沿x軸正方向運(yùn)動(dòng)稱為向前運(yùn)動(dòng)[4]，在旋翼運(yùn)動(dòng)平面上的箭頭向上方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，箭頭向下方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

四旋翼原理演示儀沒有采用真正的動(dòng)力飛行，而是使用機(jī)械結(jié)構(gòu)來進(jìn)行四旋翼的飛行原理演示。采用機(jī)械結(jié)構(gòu)是為了更好的演示四旋翼的飛行原理，這樣就解決了在小場地、低速運(yùn)動(dòng)下也能讓四旋翼“飛”起來，能更清楚直觀的演示多旋翼的飛行運(yùn)動(dòng)原理。整套系統(tǒng)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制部分。

2.1 機(jī)械機(jī)構(gòu)

機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括四旋翼飛行器、支撐及傳動(dòng)部分。結(jié)構(gòu)、實(shí)物如圖3、4所示。

2.1.1 四旋翼飛行器

把四旋翼飛行器的四個(gè)電機(jī)及旋翼拆掉，在每個(gè)電機(jī)、旋翼處安裝6個(gè)LED燈，根據(jù)6個(gè)LED燈閃爍旋轉(zhuǎn)快慢直觀的展示電機(jī)（旋翼）的轉(zhuǎn)速，清楚的展示四個(gè)電機(jī)的差速。

2.1.2 支撐及傳動(dòng)部分

演示儀由一個(gè)邊長為1m的立方體鋼架支撐，在四旋翼飛行器下面由上往下安裝有2個(gè)舵機(jī)，控制飛行器前后左右的傾斜，下面舵機(jī)與推桿電機(jī)相連，推桿電機(jī)控制飛行器的升降。推桿電機(jī)安裝在X、Y滑桿交匯處，如圖5所示。在靠近鋼架底部安裝有2臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)分別與飛行器支撐橫桿X、Y由皮帶相連接，由步進(jìn)電機(jī)控制飛行器在X、Y軸方向上的運(yùn)動(dòng)。

2.1.3 控制部分

控制部分包括遙控器、液晶屏、飛行控制器、單片機(jī)。由遙控器或者液晶屏輸入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指令，飛行控制器接收到指令后，一方面控制四組LED燈的閃爍旋轉(zhuǎn)的速度，另一方面把運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指令（前后左右、上升下降）通過單片機(jī)控制舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、推桿電機(jī)，使得飛行器前后左右、上升下降運(yùn)動(dòng)。在操作體驗(yàn)方面采用了兩種控制方式：（1）通過遙控器推桿演示，這個(gè)更貼近真實(shí)的四旋翼飛行器的遙控方式;（2）通過輸入四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制四旋翼的運(yùn)動(dòng)，這種方式可以更好的驗(yàn)證四旋翼的運(yùn)動(dòng)原理。

3 四旋翼飛行器演示儀“飛行”控制

（1）垂直運(yùn)動(dòng)：在圖2（a）中，同時(shí)增加四個(gè)“電機(jī)”的輸出功率，LED燈旋轉(zhuǎn)加快，四旋翼飛行器便在推桿電機(jī)的作用下垂直上升;反之，垂直下降。

（2）俯仰運(yùn)動(dòng)：在圖2（b）中，LED燈1的轉(zhuǎn)速上升，LED燈3的轉(zhuǎn)速下降（改變量大小應(yīng)相等），LED燈2、LED燈4的轉(zhuǎn)速保持不變，產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞y軸旋轉(zhuǎn);反向同理，機(jī)身便繞y軸向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)[5]。

（3）前后運(yùn)動(dòng)：要想實(shí)現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運(yùn)動(dòng)，必須在水平面內(nèi)對飛行器施加一定的力。在圖2（e）中，增加LED燈3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小LED燈1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時(shí)保持其它兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。按圖2（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(shí)現(xiàn)飛行器的前飛運(yùn)動(dòng)。向后飛行與向前飛行正好相反。（在圖2（b）、（c）中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生沿x、y軸的水平運(yùn)動(dòng)）

4 結(jié)論

四旋翼飛行器演示儀是設(shè)計(jì)在立方體空間內(nèi)可以做六自由度飛行演示。此套設(shè)備簡單，在演示、教學(xué)中獨(dú)辟蹊徑，并通過此機(jī)械結(jié)構(gòu)可以解決使用實(shí)際飛行時(shí)速度快、空間小而無法進(jìn)行原理演示的問題。有兩種控制演示方式：（1）通過遙控器推桿演示，這個(gè)更貼近真實(shí)的四旋翼飛行器的遙控方式;（2）通過輸入四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制四旋翼的運(yùn)動(dòng)，這種方式可以更好的驗(yàn)證四旋翼的運(yùn)動(dòng)原理，能夠使體驗(yàn)學(xué)習(xí)者更好的掌握四旋翼的運(yùn)動(dòng)原理;這兩種不同的演示方式使四旋翼飛行器演示儀能夠應(yīng)用到更多的場合中去。

參考文獻(xiàn)：

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[3]楊明志.四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

[4]周俊濤.四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連：大連理工大學(xué)，2012.

[5]李波陳，王洪洲，劉曉棟，等.可伸縮折疊式四旋翼飛行器設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2015，28（2）：121-124.