无人机基础知识：多旋翼无人机飞行原理及飞行模式

力的来源
飞行原理
- 横滚运动
- 俯仰运动
- 偏航运动
- 升降运动
无人机的控制模式
- 纯手动模式
- 姿态模式
- 定高模式
- 悬停模式
- 其它模式

在此篇博客分析了无人机的基础知识：系统基本组成
https://blog.csdn.net/qq_32761549/article/details/127102797?spm=1001.2014.3001.5501

本篇博客我们来探究下多旋翼无人机的飞行原理

力的来源

飞行原理从根上说的话就是系统运动力的来源是什么？

在基本组成部分介绍了无人机的动力系统：电调-电机-螺旋桨 。

给人最直观的感受就是电机带动螺旋桨转，产生升力。

螺旋桨旋转产生升力的原因，在很多年前伯努利就给出了解释，简单说就是流速大，压强小；流速小，压强大，也就是伯努利定理。

可以看到螺旋桨的桨面并不是平的，旋转时桨面上下的空气流速不一直，会产生向上的推力。

飞行原理

上面我们知道了飞行动力的来源，下面我们来详细介绍下多旋翼无人机的飞行原理。

以四轴飞行器为例。四轴飞行器系统采用位于机臂末端的电机带动螺旋桨旋转产生反作用力方式实现飞行器的控制。单个螺旋桨向下吹动空气产生垂直向上的反作用力，及与旋转方向相反的空气摩擦阻力。螺旋桨分为正桨和反桨，正桨逆时针旋转向下吹风，反桨顺时针旋转向下吹风。以正桨为例，其旋转时受力如图：

如图所示，红色为螺旋桨逆时针旋转方向，黑色 F1 为垂直向上的反作用力，
F2 为空气摩擦阻力。

安螺旋桨布局位置不同四旋翼无人机可分为“十”和“X”型结构，以“X”型结构为例，下面分析“X”型结构的飞行原理。

四轴飞行器系统可通过同时调节电机的转速，实现三维空间六自由度的飞行。以四旋翼飞行器质点为原点，机头前方为 x 轴正方向，机头右方为 y 轴正方向，机体垂直向下为 z 轴正方向，满足右手定则建立机体坐标系。

四轴飞行器系统的基本运动可分为绕 x 轴的横滚运动、绕 y 轴的俯仰运动、
绕 z 轴的偏航运动以及沿 z 轴方向的升降运动。

横滚运动

四轴飞行器系统通过同时加大 1 号和 4 号电机的转速、减小 2 号和 3 号电机的转速，产生 x 轴两侧的升力差，在理想情况下， 2、 3 号电机减小的百分比与 1、4 号电机增大的百分比相等，以此来保证飞行器系统垂直方向的合力为 0，同时产生沿 x 轴方向的水平分力，产生横滚角度α。

理想力学方程如下：

俯仰运动

四轴飞行器系统通过同时加大 2 号和 4 号电机的转速、减小 1 号和 3 号电机的转速，产生 y 轴两侧的升力差，在理想情况下， 2、 4 号电机减小的百分比与 1、3 号电机增大的百分比相等，以此来保证飞行器系统垂直方向的合力为 0，同时产生沿 y 轴方向的水平分力，产生俯仰角度β。

理想力学方程如下：

偏航运动

四轴飞行器系统通过同时加大 1 号和 2 号电机的转速、减小 3 号和 4 号电机的转速，产生反扭矩力差，在理想情况下，1、2 号电机减小的百分比与 3、4 号电机增大的百分比相等，以此来保证飞行器系统垂直方向的合力为 0，同时产生绕 z 轴旋转的力。

理想力学方程如下：

升降运动

同时增大或减小四个电机，当四个电机提供的拉力大于飞行器自身重力时将产生上升运动，当四个电机提供的拉力小于飞行器自身重力时将产生下降运动。

旋翼无人机运动本质就是控制电机的速度，相应地提高、减慢速度就可以让无人机以各种状态运动起来。

如果在机架、动力、飞控、遥控器，齐全的情况下，在飞控中，不加入复杂的控制算法，仅将遥控器指令，转换为运动的电机转速增减量，即可让无人机在空中飞起来。但是此种情况的无人机会非常难以控制，需要不断的修各个方向的杆量，这就是所谓的纯手控模式，不建议尝试。

无人机的控制模式

纯手动模式

就是上面说的模式，遥控器的杆量，和运动模式的电机转速形成开环的控制量，无人机会异常灵敏，难以控制。这种模式在无人机的算法或者传感器出现问题，导致无人机自动控制无法实现的时候，可以尝试救一下。

姿态模式

姿态模式就是飞控层面起到了部分自动控制的功能。

飞控会通过各种传感器，感知自身的状态，包括姿态角度和姿态角速度。

同时飞控会通过接收遥控器的杆量，将杆量转为期望姿态值，然后通过闭环控制对无人机姿态值进行自动控制。

这种控制模式，相对纯手动来说，飞机会稳定很多，但是当遥控器杆量回中后，无人机会向一个方向飘，因为杆量回中代表期望姿态角度为0.但是在某方向上存在速度，无人机就按这个速度方向飘了出去。

定高模式

飞控自身会携带气压计，和惯导融合，感知自身高度状态，当油门杆量输入为中值时，以当前高度为期望高度，形成闭环控制。

无人机在z轴方向，可以实现位置稳定。水平方向相当于姿态模式，无法实现位置稳定。

悬停模式

飞控通过GPS或其它定位传感器，和惯导融合，感知自身位置状态。当杆量输入为中值时，以当前位置为期望位置，形成闭环控制。

无人机在x、y、z轴方向，可以实现位置稳定。

其它模式

这里把其它的模式归为一类，像自动航线模式、指点飞行模式、兴趣点环绕模式等，都是建立在悬停模式的基础上，只是期望位置的输入方式不一样罢了。

无人机基础知识：多旋翼无人机飞行原理及飞行模式相关推荐

无人机基础知识：多旋翼无人机系统基本组成
无人机基础知识:多旋翼无人机系统基本组成多旋翼无人机基本组成机械系统动力系统直流无刷电机电子调速器 Li-Po电池螺旋桨飞行控制系统无人机(Unmanned Aerial Vehicl ...
基础知识：电容充电放电原理
标签: 电容基础知识:电容充电放电原理电容是一种以电场形式储存能量的无源器件.在有需要的时候,电容能够把储存的能量释出至电路.电容由两块导电的平行板构成,在板之间填充上绝缘物质或介电物质.图1和图 ...
java i 底层原理,《Java基础知识》Java Hash底层原理
前言了解到JDK8对HashMap进行了优化,就一起了解一下JDK8的HashMap. 原理 1. 哈希表的原理首先需要一张Hash表,Java通过数据实现:默认长度位16,并且. 第一步插入张三 ...
【基础知识思考整理】Zero-copy原理理解（用户角度）
基础知识思考整理 http://blog.csdn.net/aganlengzi/article/details/53332877 关于Zero-Copy的原理.主要参照的是一篇03年的文章[1](L ...
【深度学习基础知识 - 07】BN的原理和作用
Batch Normalization也是深度学习中的一个高频词汇,这篇文章将会对其做一个简单介绍. 目录 1. BN的原理 2. BN的作用 3. BN层的可学习参数 4. infer时BN的处理 ...
(王道408考研操作系统)第三章内存管理-第一节1：内存基础知识、程序编译运行原理
注意:本节内容和<计算机组成原理>"存储器"那一部分内容相关性很强,组成原理是从硬件角度,操作系统是从软件角度.因此如果没有学习过这部分的同学,强烈建议先看这一部分王 ...
Cadence基础知识2(环境搭建、原理图库制作、原理图绘制、快捷键)
需求说明:Cadence基本知识内容 :环境搭建.原理图库制作.原理图绘制.快捷键来自 :时间的诗 1 初始化环境 a 打开OrCAD Capture CIS软件 b 选择 ...
计算机基础原理知识,计算机基础知识之计算机的工作原理
1．3 计算机的工作原理到目前为止,微机的工作原理均采用冯.若依曼的存储程序方式,即把程序存储在微机内,由微机自动存取指令并执行它.微机的工作过程就是执行程序的过程,而程序由指令序列组成,因此,执行 ...
安全基础知识细说暴库的原理与方法
SQL注入流行很久了,我们找漏洞注入目的无非是想得到数据库内的东西,比如用户名密码等.(当然mssql数据库还可以借此获得权限).如果我们不用注入就可以得到整个数据库,不是更好吗?于是暴库成了一个比注 ...

无人机基础知识：多旋翼无人机飞行原理及飞行模式

无人机基础知识：多旋翼无人机飞行原理及飞行模式

力的来源

飞行原理

横滚运动

俯仰运动

偏航运动

升降运动

无人机的控制模式

纯手动模式

姿态模式

定高模式

悬停模式

其它模式

无人机基础知识：多旋翼无人机飞行原理及飞行模式相关推荐

最新文章

热门文章