论文：四旋翼飞行器设计与实现

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1、四旋翼·É行器设计与实现一、四旋翼·É行器的结构设计四旋翼·É行器采用四个旋翼作Ϊ·É行的直接¶¯力源，旋翼¶Ô称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼´¦于同一高度平面，且四个旋翼的½á构和半径都相同，旋翼1和旋翼3逆ʱÕë旋ת，旋翼2和旋翼4˳ʱÕë旋ת，四个µç机¶Ô称的安装在·É行器的支架端，支架中¼ä空¼ä安放·É行控制¼Æ算机和外部É豸。四旋翼·É行器的½á构形式如ͼ1.1所示。二、工作原理四旋翼·É行器是通¹ýµ÷½Ú四个µç机ת速来改±ä旋翼ת速，ʵÏÖ升力的±ä化

2、，从而控制·É行器的姿̬和位置。由于·É行器是通¹ý改±ä旋翼ת速ʵÏÖ升力±ä化，ÕâÑù会µ¼致其¶¯力不ÎÈ定。所以需要一种能¹»³¤期保ÎÈ定的控制方法。四旋翼·É行器是一种六自由度的垂直升降机。因此，非常适合静̬和准静̬条件下·É行。但是四旋翼·É行器只有四个Êä入力，同ʱ却有六个状̬Êä出。所以它又是一种欠Çý¶¯系ͳ。µç机1和µç机3逆ʱÕë旋ת的同ʱ，µç机2和µç机4˳ʱÕë旋ת。因此当·É行器平衡·É行ʱ，陀螺效Ó¦和空气¶¯力扭矩效Ó¦均被抵消。四旋翼·

3、É行器在空¼ä共有6个自由度(分±ð沿3个坐±êÖá作平移和旋ת¶¯作)，Õâ6个自由度的控制都可以通¹ýµ÷½Ú不同µç机的ת速来ʵÏÖ。基本运¶¯状̬分±ð是：(1)垂直运¶¯；(2)俯仰运¶¯；(3)¹öת运¶¯；(4)偏航运¶¯；(5)前后运¶¯；(6)²à向运¶¯。在ͼ（a）中，µç机1和µç机3作逆ʱÕë旋ת，µç机2和µç机4作˳ʱÕë旋ת，¹æ定沿xÖá正方向运¶¯称Ϊ向前运¶¯,箭Í·在旋翼的运¶¯平面上方表示此µç机ת速提高，在下方表示此µç机ת速下降。(1)

4、垂直运¶¯：垂直运¶¯相¶Ô来˵比½Ï容易。在ͼ中,因有两¶Ôµç机ת向相反，可以平衡其¶Ô机身的反扭矩；当同ʱ增加四个µç机的Êä出功率,旋翼ת速增加使得×Ü的拉力增大；当×Ü拉力足以克服整机的重量ʱ,四旋翼·É行器便离地垂直上升；反之，同ʱ减小四个µç机的Êä出功率，四旋翼·É行器Ôò垂直下降，直至平衡落地，ʵÏÖ了沿zÖá的垂直运¶¯。当外界ÈŶ¯量Ϊ零ʱ,在旋翼²ú生的升力等于·É行器的自重ʱ，·É行器便保持Ðü停状̬。保Ö¤四个旋翼ת速同步增加或减小是垂直运¶¯的关¼ü

5、。(2)俯仰运¶¯：在ͼ(b)中，µç机1的ת速上升，µç机3的ת速下降，µç机2、µç机4的ת速保持不±ä。Ϊ了不因Ϊ旋翼ת速的改±ä引起四旋翼·É行器整体扭矩及×Ü拉力改±ä，旋翼1与旋翼3ת速¸Ä±ä量的大小Ó¦相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，²ú生的不平衡力矩使机身ÈÆyÖá旋ת(方向如ͼ所示)，同理，当µç机1的ת速下降，µç机3的ת速上升，机身便ÈÆyÖá向另一个方向旋ת，ʵÏÖ·É行器的俯仰运¶¯。(3)¹öת运¶¯：与ͼb的原理相同，在ͼc中，

6、改±äµç机2和µç机4的ת速，保持µç机1和µç机3的ת速不，Ôò可使机身ÈÆxÖá旋ת(正向和反向)，ʵÏÖ·É行器的¹öת运¶¯。(4)偏航运¶¯：四旋翼·É行器偏航运¶¯可以借助旋翼²ú生的反扭矩来ʵÏÖ。旋翼ת¶¯¹ý程中由于空气阻力作用会形成与ת¶¯方向相反的反扭矩。Ϊ了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正ת，两个反ת，且¶Ô角Ïß上的来年各个旋翼ת¶¯方向相同。反扭矩的大小与旋翼ת速有关，当四个µç机ת速相同ʱ，四个旋翼²ú生的反扭矩相互平衡，四旋翼·É行器不·

7、¢生ת¶¯；当四个µç机ת速不完全相同ʱ，不平衡的反扭矩会引起四旋翼·É行器ת¶¯。在ͼd中，当µç机1和µç机3的ת速上升，µç机2和µç机4的ת速下降ʱ，旋翼1和旋翼3¶Ô机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4¶Ô机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下ÈÆzÖáת¶¯，ʵÏÖ·É行器的偏航运¶¯,ת向与µç机1、µç机3的ת向相反。(5)前后运¶¯：要想ʵÏÖ·É行器在水平面内前后、左右的运¶¯，必Ðë在水平面内¶Ô·É行器施加一定的力。在ͼe中，增加µç机3ת速，使拉力增大，相

8、Ó¦减小µç机1ת速，使拉力减小；同ʱ保持其它两个µç机ת速不±ä，反扭矩仍然要保持平衡。按ͼb的理ÂÛ，·É行器首先·¢生一定程度的Çã斜，从而使旋翼拉力²ú生水平分量。因此可以ʵÏÖ·É行器的前·É运¶¯。向后·É行与向前·É行正好相反。当然在ͼbͼc中，·É行器在²ú生俯仰、翻¹ö运¶¯的同ʱ也会²ú生沿x、yÖá的水平运¶¯。(6)²à向运¶¯：在ͼf中，由于½á构¶Ô称，所以²à向·É