四軸飛行器姿態控制系統設計


     先學習下四軸的工作原理,那樣,對以后的開發也相對來說方便多了。

    

    四旋翼飛行器結構形式,電機1和電機3逆時針旋轉的同時,電機2和電機4順時針旋轉,因此當飛行器平衡飛行時,陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。與傳統的直升機相比,四旋翼飛行器有下列優勢:各個旋翼對機身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉方向相反,因此當電機1和電機3逆時針旋轉的同時,電機2和電機4順時針旋轉,可以平衡旋翼對機身的反扭矩。四旋翼飛行器在空間共有6個自由度(分別沿3個坐標軸作平移和旋轉動作),這6個自由度的控制都可以通過調節不同電機的轉速來實現。基本運動狀態分別是:

    (1)垂直運動;

 

   (2)俯仰運動;

 

   (3)滾轉運動;

 

   (4)偏航運動;

 

   (5)前后運動;

 

   (6)側向運動。

 

    在圖中,電機1和電機3作逆時針旋轉,電機2和電機4作順時針旋轉,規定沿x軸正方向運動稱為向前運動,箭頭在旋翼的運動平面上方表示此電機轉速提高,在下方表示此電機轉速下降。

  (1)垂直運動:垂直運動相對來說比較容易。在圖中,因有兩對電機轉向相反,可以平衡其對機身的反扭矩,當同時增加四個電機的輸出功率,旋翼轉速增加使得總的拉力增大,當總拉力足以克服整機的重量時,四旋翼飛行器便離地垂直上升;反之,同時減小四個電機的輸出功率,四旋翼飛行器則垂直下降,直至平衡落地,實現了沿z軸的垂直運動。當外界擾動量為零時,在旋翼產生的升力等於飛行器的自重時,飛行器便保持懸停狀態。保證四個旋翼轉速同步增加或減小是垂直運動的關鍵。

     

(3)滾轉運動:與圖b的原理相同,在圖c中,改變電機2和電機4的轉速,保持電機1和電機3的轉速不變,則可使機身繞x軸旋轉(正向和反向),實現飛行器的滾轉運動。

(4)偏航運動:四旋翼飛行器偏航運動可以借助旋翼產生的反扭矩來實現。旋翼轉動過程中由於空氣阻力作用會形成與轉動方向相反的反扭矩,為了克服反扭矩影響,可使四個旋翼中的兩個正轉,兩個反轉,且對角線上的來年各個旋翼轉動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉速有關,當四個電機轉速相同時,四個旋翼產生的反扭矩相互平衡,四旋翼飛行器不發生轉動;當四個電機轉速不完全相同時,不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉動。在圖d中,當電機1和電機3的轉速上升,電機2和電機4的轉速下降時,旋翼1和旋翼3對機身的反扭矩大於旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩,機身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉動,實現飛行器的偏航運動,轉向與電機1、電機3的轉向相反。

(5)前后運動:要想實現飛行器在水平面內前后、左右的運動,必須在水平面內對飛行器施加一定的力。在圖e中,增加電機3轉速,使拉力增大,相應減小電機1轉速,使拉力減小,同時保持其它兩個電機轉速不變,反扭矩仍然要保持平衡。按圖b的理論,飛行器首先發生一定程度的傾斜,從而使旋翼拉力產生水平分量,因此可以實現飛行器的前飛運動。向后飛行與向前飛行正好相反。當然在圖b圖c中,飛行器在產生俯仰、翻滾運動的同時也會產生沿x、y軸的水平運動。

(6)傾向運動:在圖f中,由於結構對稱,所以傾向飛行的工作原理與前后運動完全一樣。

       總得來說就是控制四個電機的速度了。然后相應的提高速度和減慢速度就可以讓四軸動起來了。

 

  下面還有對電機,電池和漿的各種搭配:

 

電池:

 

什么叫1S電池,2S電池,3S電池?

 

1S:鋰電1塊3.7V 充滿是4.2V

 

2S:就是2塊鋰電串聯 7.4V

 

3S:就是3塊鋰電串聯 11.1V

 

S是代表串連,P是代表並。3S就是代表3節電池串連,3P就代表3節電池並連。

 

電池的放電能力,最大持續電流是:容量X放電C數

 

例如:1500MA,10C,    則最大的持續電流就是=1.5X10=15安

 

如果該電池長時間超過15安或以上電流工作,那么電池的壽命會變短、還有電池的充滿電壓單片4.15-4.20合適,用后的最低電壓為單片3.7以上(切記不要過放),長期不用的保存電壓最好為3.9。

 

 

 

電機:

 

電機KV值:電機的轉速(空載)=KV值X電壓;

 

例如KV1000的電機在10V電壓下它的轉速(空載)就是10000轉/分鍾。

 

 

 

電機的KV值越高,提供出來的扭力就越小。所以,KV值的大小就與漿有着密切的關系,以下就這點提供一下配漿經驗:

 

漿:

 

1060漿,10代表長的直徑是10寸,60表示漿角(螺距).

 

    前兩位數表示直徑,后兩位表示螺距。

 

 

 

搭配:

 

一般電機與漿是這樣配的:

 

3S電池下;KV900-1000的電機配1060或1047漿,9寸漿也可

 

               KV1200-1400配9050(9寸漿)至8*6漿

 

               KV1600-1800左右的7寸至6寸漿

 

               KV2200-2800左右的5寸漿

 

               KV3000-3500左右的4530漿

 

 

 

2S電池下;KV1300-1500左右用9050漿

 

               KV1800左右用7060漿

 

               KV2500-3000左右用5X3漿

 

               KV3200-4000左右用4530漿

 

 

 

漿的大小與電流關系:因為漿相對越大在產生推力的效率就越高

 

    例如:同用3S電池,電流同樣是10安(假設)

 

    用KV1000配1060漿與 KV3000配4530漿它們分別產生的推力前者是后者的兩倍。

 

 

 

機型與電機、漿的關系:

 

一般來說:漿越大對飛機所產生的反扭力越大,所以漿的大小與機的翼展大小有着一定關系,但漿與電機也有着上面所講的關系。

 

例如用1060漿,機的翼展就得要在80CM以上為合適,不然的話機就容易造成反扭;又如用8*6的漿翼展就得在60以上。 

 

再比如:用4530漿做翼展1米以上機行否?  是可以, 但飛機飛起來會很耗電,因為翼展大飛行的阻力大,而4530漿產生的推力相對情況下小(上面漿的大小與電流關系有講到)。

 


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