“一叶障目,不见泰山”。在研究四旋翼飞行器之前,有必要从整体介绍其工作原理、主要部件、技术名词等基础知识。不然就像羊入虎口,陷入一大堆不同层次的资料,难觅出口。接下我就抛砖引玉,尽自己所能,介绍四旋翼的工作原理和主要部件。余虽不敏,然余诚也。
工作原理
四旋翼飞行器,通过4个对称布置的电机,改变螺旋桨的转速,实现升力的变化,进而控制飞行器的姿态和位置。姿态具体指3个欧拉角:横滚(Roll)、俯仰(Pitch)、偏航(Yaw)。位置具体指1个高度油门(Throttle)和2个位置(X和Y)。欧拉角是一种描述物体姿态的常见方式,广泛应用于惯性导航、机器人等领域。为了方便大家理解,在网上找了3个欧拉角的动图,分别为Roll、Pitch、Yaw,让我们致敬制作者3秒钟。
横滚:Roll,控制四旋翼左右运动。
俯仰:Pitch,控制四旋翼前后运动。
偏航:Yaw,控制四旋翼的朝向。
无人机的姿态和位置共有6个自由度,每个自由度的控制如下图所示。4个电机2个正转(电机2和4),2个反转(电机1和3),对称布置。电机正反转配合正反桨,可使螺旋桨的风都往下刮以平衡重力,同时抵消因桨叶旋转带来的空气阻力扭矩。由于输入只有4个自由度,因此多出的2个自由度是不完全受控的,其中俯仰运动和前后运动耦合,滚转运动和侧向运动耦合。
座标系:标准右手系。规定X轴正方向为前向。螺旋桨的箭头向上↑:电机转速上升。螺旋桨的箭头向下↓:电机转速下降。
(a) 垂直运动(Throttle):4个电机均加大马力,螺旋桨产生的升力大于重力,飞机便垂直上升。当升力与重力平衡时,飞机便悬停。悬停是考验算法的重要一环,靠的是PID不断反馈,调整转速。
(b) 俯仰运动(Pitch):电机1加大马力,电机3减小马力,二者的变化量相同。1处升力变大,3处升力减小,重力仍保持平衡,但对Y轴产生一个力矩,机身绕Y轴旋转,实现俯仰。
(c) 滚转运动(Roll):与 (b) 原理相同,只是Y轴换成了X轴。
(d) 偏航运动(Yaw):电机1、3加大马力,电机2、4减小马力,二者的变化量相同。重力和绕X、Y轴的扭矩仍保持平衡,但要注意的是,根据作用力和反作用力原理,由于2个正转的速度>2个反转的速度,空气阻力产生的扭矩不平衡了,使得机身绕Z轴旋转,实现偏航。
(e) 前后运动:与 (b) 耦合,机身绕Y轴旋转一定角度后,使得升力沿水平方向有了分量,实现前后运动。
(f) 侧向运动:与 (c) 耦合,原理与 (e) 相同。
如果有朋友接触过麦克纳姆轮,也称“全向轮”,那就更容易理解四旋翼的工作原理了。麦克纳姆轮通过4个对称布置的电机和轮盘,可实现车身水平任意方向的移动和原地旋转,无比灵活。
主要部件
以S500为例,S500是一架入门级的四旋翼飞机,这里的500指的是轴距(对角2个电机之间的距离),单位 :mm。对于开源爱好者而言,如果想一站式玩四旋翼,在某宝上选购一架S500是个不错的选择。下面我就从上表出发,详细介绍四旋翼的主要部件和技术名词。
四旋翼本体
飞行控制器
螺旋桨
电机
电调
说完电机说电调,电调和电机配套使用,是飞控和电机之间的桥梁。电调全称电子调速器(Electronic Speed Control),负责将飞控的控制信号(PWM波)转变为电流的大小,进而控制电机转速。除了明面上的转换功能,还能承载电机所需的大电流,以及将11.1V转为5V供飞控和遥控模块使用(BEC输出)。电调的主要参数是电流输出能力,单位A,如30A代表电调能提供的最大电流为30A。常见的电调品牌有新西达(XXD)、中特威(ZTW)、好盈(HobbyWing)等。