四旋翼無人機的力學特性分析

黃云彬

(太原新希望雙語學校,山西太原 030100)

1 無人機的發(fā)展趨勢及現(xiàn)狀

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

無人機如今已經發(fā)展近90年,設計的最初目的主要是軍事戰(zhàn)爭,無人駕駛飛機由于自身微型,靈活,無人操作等優(yōu)點,進行偵察、干擾、搜索、掩護及能夠發(fā)揮在非正規(guī)條件下作戰(zhàn)能力,而如今已成為一個高科技產業(yè),主要市場已從軍用轉到農業(yè),電力,運輸?shù)刃袠I(yè),如搶險救災;地理測繪;農林業(yè)應用：噴灑農藥;影視娛樂：航拍;管線巡檢：輸電線,管道,環(huán)境監(jiān)管,隨著無人機的應用范圍越來越廣,對其要求也日益增加。不僅要實現(xiàn)穩(wěn)定飛行、自動飛行,還要進行任務規(guī)劃,軌跡跟蹤等。

1.2 無人機的發(fā)展趨勢

未來十年,軍用無人機的需求將會增加至如今的三倍,漸漸成為軍事發(fā)展的主流,發(fā)展的重點,同時,民用無人機的市場景氣度也在提升,全球無人機的市場規(guī)模將由2015年的64億美元增至2024年的115億美元。隨著市場規(guī)模的擴大,各國也在相應的技術領域相互比拼,美國技術優(yōu)勢仍然突出,歐洲無人機也處于世界領先水平,中國作為新生力量,緊追其后。

但是無人機的管理,即法律法規(guī)、行業(yè)管制尚待完善,以及技術仍不成熟,還未完全滿足市場的需求,制約著商業(yè)等領域的應用。所以無人機還需向微小型,智能型,平民化,高效能型的方向發(fā)展。

1.3 四旋翼無人機

四旋翼無人機是無人機最常見的一種。其顯著特點為垂直起降,定點懸停;操作容易,控制靈活。

但由于四旋翼無人機的結構特性,是一個欠驅動非線性系統(tǒng),具有強耦合的特點,使其控制系統(tǒng)需要保持良好的解耦性與魯棒性,所以其飛行極其依賴于飛行控制系統(tǒng),來保持其穩(wěn)定性。

目前最需解決的問題為四旋翼無人機的精確建模,修正和完善飛行控制系統(tǒng)的結構和參數(shù),以及由于四旋翼無人機的力學機構,一方面,一般的飛機是由機身、推進系統(tǒng)、機翼、操作機構及系統(tǒng)、機載設備構成的,而四旋翼無人機,它無推進系統(tǒng),只能通過旋翼轉動產生推力,所以載重小,難以承載較多的貨物及傳感器;另一方面,飛機的穩(wěn)定性和操縱性的好壞,完全取決于飛機的氣動特性和機構參數(shù)。

2 飛機基本飛行原理與控制手段

2.1 飛機的受力分析

飛機一般都有六個自由度,速度的增減,升降,左右側向移動,繞機體三軸的轉動,分別能夠表示出它的線運動和角運動。

飛機在飛行過程中,分布的壓力可以看作是作用在飛機質心的合力及合力矩,縱向受到外力,包括推力,氣動阻力。垂直受到外力,包括重力,氣動升力。側向受到外力包括氣動側力。由于縱向和橫航向之間的氣動交聯(lián)較弱,可以簡化分析。合力矩則有俯仰力矩、偏航力矩、滾轉力矩。

其中升力是由機翼的形狀迎角,機身的大迎角,平尾產生的。而四旋翼無人機主要通過槳翼旋轉產生。

其中阻力分為零升阻力(與阻力無關),升致阻力(升力導致)。

其中側力是由不對稱的氣流作用下產生的,由于側滑角、滾轉角速度,偏航角等導致的。

通過氣動力與推力變化使得飛機的運動狀態(tài)得到改變。其中方向舵,副翼,升降舵作為活動操縱面改變飛機的氣動特性,飛機的油門改變飛機的推力,伴隨著副翼變化進而改變飛機的速度,有時候也會改變飛機的俯仰狀態(tài),完成爬坡和俯沖。

2.2 飛機的控制系統(tǒng)

飛機是自主控制系統(tǒng)包括：決策層(基于傳感器和環(huán)境實時決策)、外環(huán)控制器(位置和偏航方面,通過規(guī)劃及規(guī)劃對下一時刻的未知情況進行預判)、內環(huán)控制器(指令執(zhí)行和穩(wěn)定性進行控制,主要表現(xiàn)為速度)。

剛體的一般運動方程：ma=F,M=FL,由于飛機的運動狀態(tài)只涉及線速度和角速度,通過以上兩個方程就能表達出飛機運動的線速度和角速度方程。

3 四旋翼無人機的受力分析

根據(jù)分析飛機的力學特性,四旋翼無人機的氣動力及推力的變化,會使其運動狀態(tài)改變,表現(xiàn)在于旋翼和轉速變化,也就是完成了六個自由度的姿態(tài)運動。

四旋翼無人機是由一個交叉對稱的十字架和四個驅動裝置構成的,所有旋翼都在一個面,四個旋翼可按順時針編號為1、2、3、4。具體運動狀態(tài)表現(xiàn)為：

(1)機體的懸停：1、3為逆時針,2、4為順時針,且轉速相同,產生的作用力矩相互抵消,垂直方向二力平衡。升降狀態(tài)是由旋翼的轉速決定的,轉速越大,向上的升力越大。(2)俯仰運動及前后運動：1旋翼加速,3旋翼減速2、4旋翼轉速不變,由于發(fā)生了俯仰運動,機身會發(fā)生傾斜從而產生一個水平的力,導致其進行直線運動。所以四旋翼無人機的俯仰運動和前后運動是相互耦合的。(3)滾轉運動及左右運動：由于四旋翼無人機是中心對稱的,所以和俯仰運動和前后運動的原理是相同的。(4)偏航狀態(tài)：改變1、3或2、4的轉速,使其力矩不平衡,產生了一個偏轉的加速度。

4 四旋翼無人機的結構分析

優(yōu)點：多旋翼可以利用不同軸的差速來調節(jié)姿態(tài),這相比單旋翼來講,優(yōu)勢更為明顯,而不用單一地只用調節(jié)槳距的方法,或者加入尾槳抵消力矩,以調整飛行方向和姿態(tài),從而使四旋翼無人機的結構更為精致。

缺點：由于增加軸數(shù)就會導致增加成本和重量,而要保持同樣的升力又不能做的太小,最終結果：從單旋翼到多旋翼時,復雜度會降低,當旋翼數(shù)超出一定范圍,效果反而會降低;并且制約著槳翼大小的因素還有轉速,槳翼越小,轉速越快,但是螺旋槳上下震動容易導致槳葉折斷,槳翼越大,轉速就越難提高。

由于以上的優(yōu)缺點,為了使四旋翼無人機的性能更出色,可以在四旋翼無人機的結構進行優(yōu)化：

通過改變螺旋槳之間的距離提高升力;增加活動部件(整流片),提高多旋翼的可靠性,增加差動裝置,在遇到強風時,增加自身的靜穩(wěn)定性;減輕旋翼質量,使用密度小強度大的材料,增加槳葉的柔性;在電池這個短板上,選用質量更小、體積更小,能量密度更高的;由于螺旋槳效率是有上限的,所以為了提高整體效率,在載重一定的情況下,需要將槳葉的長度變大,這樣掃過的面積就會變大,進而提升升力。

5 總結

四旋翼無人機因其獨特的結構特點使其能應用于更多的場合,因此成為國內外較熱的研究領域,因此無人機的力學設計仍然有較大的研究空間,它能夠垂直起降、定點懸停,操作簡單,但是載重質量無法太大。本文通過分析飛機的力學特性,提出了解決四旋翼無人機載重較小的解決方法,主要集中在四旋翼無人機的結構上。從螺旋槳、機翼和活動部件,機載設備的力學角度,一方面提高了飛機的升力,另一方面提高了它的穩(wěn)定性,使四旋翼無人機整體能達到低質量、高載重、高功耗的特點,使其更加完善。

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