6种姿态飞行原理.ppt

四旋翼无人直升机姿态控四旋翼无人直升机姿态控制制六种飞翔姿态原理深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院六种飞翔姿态原理力学模型及坐标系四旋翼无人飞行器受力分析及坐标系四旋翼无人飞行器受力分析及坐标系 深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院六种飞翔姿态简图垂直运动垂直运动 俯仰运动俯仰运动 滚转运动滚转运动 偏航运动偏航运动 前后运动前后运动 侧向运动侧向运动 深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院六种飞行姿态来源电机1 和电机3 逆时针旋转的同时，电机2 和电机4 顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消 四旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作）六个自由度对应六种飞行姿态：（1）垂直运动；（2）俯仰运动；（3）滚转运动；（4）偏航运动；（5）前后运动；（6）侧向运动 深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院六种飞行姿态垂直运动垂直运动相对来说比较容易。在右图中，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。垂直运动垂直运动 深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院六种飞行姿态俯仰运动 在图中，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转（方向如图所示），同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动 俯仰运动俯仰运动 深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院六种飞行姿态滚转运动与俯仰运动的原理相同，右图中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动 滚转运动滚转运动 深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院六种飞行姿态偏航运动四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的来年各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在右图中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反 偏航运动偏航运动 深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院六种飞行姿态前后运动要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在右图中，增加电机3转速，使拉力增大，相应减小电机1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按俯仰运动的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。前后运动前后运动 深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院六种飞行姿态倾向运动在右图中，由结构对称原理可知道，倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样 侧向运动侧向运动 深圳大学轨道交通学院深圳大学轨道交通学院