簡要介紹微型航拍無人機的結構形式與工作原理兩方面的內容。
微型航拍無人機(旋翼)的結構形式
微型航拍無人機的四個旋翼分布在機體的前、后、左、右。為了達到機體穩定飛行的目的,四個旋翼在結構上保持水平一致,四個旋翼的大小、造型都一樣,四個由微控器(MCU)控制的電機對稱分布在飛行器的支架端,支架中部安裝有飛行控制器(通常是微型工控板MCU,在這里可以使用經常提到的STM32嵌入式系統)和外部連接設備。它的基本結構形式如下圖所示。
微型航拍無人機(旋翼)的工作原理
微型航拍無人機(旋翼)通過改變四個電機的轉速來調整旋翼轉速,達到無人機升力變化的需求,進而調節航拍無人機的運動形式。微型航拍無人機(旋翼)是6自由度垂直升降系統,由對稱分布的四個電機提供四個輸入力,有六個飛行狀態,屬於一種欠驅動系統的一種。微型航拍無人機(旋翼)沿各個自由度的飛行狀態如下圖所示。
由上圖可以看到,這種微型航拍無人機(旋翼)的電機 1、電機 3逆時針旋轉,與此同時電機 2、電機 4順時針旋轉。如果四個電機的轉速相同,那么陀螺效應與空氣動力扭矩效應相互抵消,使得無人機處於懸停狀態。
由上圖可知該無人機有6種飛行狀態:
-
(a)垂直運動;
-
(b)俯仰運動;
-
(c)滾轉運動;
-
(d)偏航運動;
-
(e)前后運動;
-
(f)側向運動;
下面簡單分析一下無人機是如何實現這6種飛行狀態的。
把電機分成1、3與2、4這兩組,當兩組電機的輸出功率增大,且達到相同的輸出,拉力增大,總拉力大於無人機重量時機體垂直上升;反之,垂直下降。沒有風的情況下無人機便維持懸停狀態。
如果1、3組電機的輸出功率小於2、4組,無人機由懸停狀態變為自轉狀態,具體是沿逆時針自轉。原因也很簡單,這兩組電機產生相反的扭矩,電機輸出不同的情況下,機體自然會發生旋轉。
如果2、4組電機的輸出保持不變,而1、3組電機,其中一個的輸出功率變小,那么無人機會向輸出功率變小的電機的方向俯沖。
簡單來說,無人機的飛行狀態可以歸納為懸停、俯沖兩種,其他飛行狀態由此演變而來。相信學過空氣動力學的讀者應該很容易看明白上圖中的6種飛行狀態。