無(wú)人機(jī)操控技術(shù)課件：多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行原理

多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行原理——《無(wú)人機(jī)操控技術(shù)》飛行原理主要知識(shí)回顧多旋翼無(wú)人機(jī)飛行原理主要知識(shí)點(diǎn)回顧——正反槳正反槳是指一對(duì)旋向相反的螺旋槳，多旋翼無(wú)人機(jī)的旋翼數(shù)量一般都是偶數(shù)，螺旋槳的安裝數(shù)量是一半正槳、一半反槳，這樣設(shè)計(jì)既能保證無(wú)人機(jī)穩(wěn)定飛行時(shí)螺旋槳的反作用扭矩互相抵消，也能通過(guò)螺旋槳的差速旋轉(zhuǎn)來(lái)控制無(wú)人機(jī)的偏航運(yùn)動(dòng)。主要知識(shí)點(diǎn)回顧——牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律任何一個(gè)物體在不受外力或受平衡力的作用時(shí)，總是保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到有作用在它上面的外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。物體有保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的性質(zhì)稱為慣性。一切物體都具有慣性，慣性是物體的物理屬性，所以牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律又稱為慣性定律?；诖硕桑ＷC無(wú)人機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)（穩(wěn)定懸?；蚍€(wěn)定直線飛行），就要保證無(wú)人機(jī)所受的合外力為零，就是升力等于重力，拉力等于阻力。主要知識(shí)點(diǎn)回顧——牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律物體的加速度跟物體所受的合外力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比。牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律也稱為加速度定律，它表明力的瞬時(shí)作用規(guī)律：力和加速度同時(shí)產(chǎn)生，同時(shí)變化，同時(shí)消失。所以，無(wú)人機(jī)的姿態(tài)和飛行速度的改變，需要在相應(yīng)的方向上有力的作用。主要知識(shí)點(diǎn)回顧——牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力，在同一直線上，大小相等，方向相反。牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律也稱為作用力與反作用力定律。在多旋翼無(wú)人機(jī)的操控中，要用到此定律，比如多旋翼無(wú)人機(jī)的自旋操控就是通過(guò)控制正槳和反槳作用在無(wú)人機(jī)上的扭矩大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的。主要知識(shí)點(diǎn)回顧——欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就是指系統(tǒng)的獨(dú)立控制變量個(gè)數(shù)小于系統(tǒng)自由度個(gè)數(shù)的一種非線性系統(tǒng)，多旋翼無(wú)人機(jī)就是典型的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由于高度非線性、參數(shù)攝動(dòng)、多目標(biāo)控制要求及控制量受限等原因，所以控制難度較大。主要知識(shí)點(diǎn)回顧——全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同，全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的獨(dú)立控制變量個(gè)數(shù)等于系統(tǒng)自由度個(gè)數(shù)，具有操縱靈活、控制算法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，固定翼無(wú)人機(jī)就是典型的全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。飛行原理主要知識(shí)回顧多旋翼無(wú)人機(jī)飛行原理多旋翼無(wú)人機(jī)操控原理——飛行模式四旋翼無(wú)人機(jī)的飛行模式有兩種，左圖為十字模式，右圖為X字模式。如前所述，多旋翼無(wú)人機(jī)根據(jù)旋翼槳距是否可控分為兩類：旋翼變距類和旋翼變速類，而電動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)基本都屬于旋翼變速類，下面就以旋翼變速類四旋翼無(wú)人機(jī)的十字模式為例，來(lái)對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)操控原理進(jìn)行介紹。多旋翼無(wú)人機(jī)操控原理——六種運(yùn)動(dòng)要操控?zé)o人機(jī)，就要操控它的各種運(yùn)動(dòng)，如圖1-10所示，無(wú)人機(jī)的整個(gè)飛行軌跡都是靠操控它的這六種運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。多旋翼無(wú)人機(jī)操控原理——運(yùn)動(dòng)控制①垂直運(yùn)動(dòng)控制。當(dāng)同時(shí)增加或減小4個(gè)旋翼的升力時(shí)，無(wú)人機(jī)垂直上升或下降;當(dāng)四旋翼產(chǎn)生的升力總和等于機(jī)體的自重時(shí),四旋翼無(wú)人機(jī)便保持平衡狀態(tài)。四個(gè)旋翼同時(shí)增加升力，無(wú)人機(jī)就開(kāi)始垂直上升。多旋翼無(wú)人機(jī)操控原理——運(yùn)動(dòng)控制②偏航運(yùn)動(dòng)控制。當(dāng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的一對(duì)旋翼與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的另一對(duì)旋翼轉(zhuǎn)速不同時(shí),不平衡的反扭矩就會(huì)引起機(jī)體轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到方向(航向)控制目的，也就是這里所說(shuō)的偏航運(yùn)動(dòng)控制。如圖，在懸停狀態(tài)下，圖中的M1和M3同時(shí)增加升力，M2和M4同時(shí)減小升力，無(wú)人機(jī)就開(kāi)始向右（從上往下看順時(shí)針）偏航；反之則向左偏航。多旋翼無(wú)人機(jī)操控原理——運(yùn)動(dòng)控制③俯仰運(yùn)動(dòng)控制。在保持左右兩個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速不變的情況下,增加(或減少)前面旋翼的轉(zhuǎn)速，并相應(yīng)減少(或增加)后面旋翼的轉(zhuǎn)速,使得前后兩個(gè)旋翼存在升力差,從而引起機(jī)身的俯仰運(yùn)動(dòng)。如圖，當(dāng)M2、M4的升力保持不變，M1增加升力，M3減小升力，無(wú)人機(jī)就開(kāi)始向前做抬頭運(yùn)動(dòng)。多旋翼無(wú)人機(jī)操控原理——運(yùn)動(dòng)控制④橫滾運(yùn)動(dòng)控制。在保持前后兩個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速不變的情況下,增加(或減少)左面旋翼的轉(zhuǎn)速，并相應(yīng)減少(或增加)右面旋翼的轉(zhuǎn)速,使得左右兩個(gè)旋翼存在升力差,從而引起機(jī)身的橫滾運(yùn)動(dòng)。如圖，當(dāng)M1、M3的升力保持不變，M2增加升力，M4減小升力，無(wú)人機(jī)就開(kāi)始向右做橫滾運(yùn)動(dòng)。多旋翼無(wú)人機(jī)操控原理——運(yùn)動(dòng)控制⑤水平方向運(yùn)動(dòng)控制。水平方向運(yùn)動(dòng)控制，也就是控制無(wú)人機(jī)進(jìn)行前后（或左右）的平動(dòng)，首先通過(guò)控制無(wú)人機(jī)進(jìn)行俯仰（或橫滾）運(yùn)動(dòng)，然后保持無(wú)人機(jī)的姿態(tài)，無(wú)人機(jī)的升力就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)水平分力，如圖1-12所示，如前所述的牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，物體的加速度跟物體所受的合外力成正比，無(wú)人機(jī)的姿態(tài)和飛行速度的改變，需要在相應(yīng)的方向上有力的作用。由于水平分力的存在，人機(jī)就會(huì)在升力