无人机操控技术课件：多旋翼无人机的飞行原理

多旋翼无人机的飞行原理——《无人机操控技术》飞行原理主要知识回顾多旋翼无人机飞行原理主要知识点回顾——正反桨正反桨是指一对旋向相反的螺旋桨，多旋翼无人机的旋翼数量一般都是偶数，螺旋桨的安装数量是一半正桨、一半反桨，这样设计既能保证无人机稳定飞行时螺旋桨的反作用扭矩互相抵消，也能通过螺旋桨的差速旋转来控制无人机的偏航运动。主要知识点回顾——牛顿第一运动定律任何一个物体在不受外力或受平衡力的作用时，总是保持静止状态或匀速直线运动状态，直到有作用在它上面的外力迫使它改变这种状态为止。物体有保持运动状态不变的性质称为惯性。一切物体都具有惯性，惯性是物体的物理属性，所以牛顿第一运动定律又称为惯性定律。基于此定律，要保证无人机处于稳定状态（稳定悬停或稳定直线飞行），就要保证无人机所受的合外力为零，就是升力等于重力，拉力等于阻力。主要知识点回顾——牛顿第二运动定律物体的加速度跟物体所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比。牛顿第二运动定律也称为加速度定律，它表明力的瞬时作用规律：力和加速度同时产生，同时变化，同时消失。所以，无人机的姿态和飞行速度的改变，需要在相应的方向上有力的作用。主要知识点回顾——牛顿第三运动定律两个物体之间的作用力和反作用力，在同一直线上，大小相等，方向相反。牛顿第三运动定律也称为作用力与反作用力定律。在多旋翼无人机的操控中，要用到此定律，比如多旋翼无人机的自旋操控就是通过控制正桨和反桨作用在无人机上的扭矩大小来实现的。主要知识点回顾——欠驱动系统欠驱动系统就是指系统的独立控制变量个数小于系统自由度个数的一种非线性系统，多旋翼无人机就是典型的欠驱动系统，由于高度非线性、参数摄动、多目标控制要求及控制量受限等原因，所以控制难度较大。主要知识点回顾——全驱动系统和欠驱动系统不同，全驱动系统的独立控制变量个数等于系统自由度个数，具有操纵灵活、控制算法设计简单等特点，固定翼无人机就是典型的全驱动系统。飞行原理主要知识回顾多旋翼无人机飞行原理多旋翼无人机操控原理——飞行模式四旋翼无人机的飞行模式有两种，左图为十字模式，右图为X字模式。如前所述，多旋翼无人机根据旋翼桨距是否可控分为两类：旋翼变距类和旋翼变速类，而电动多旋翼无人机基本都属于旋翼变速类，下面就以旋翼变速类四旋翼无人机的十字模式为例，来对多旋翼无人机操控原理进行介绍。多旋翼无人机操控原理——六种运动要操控无人机，就要操控它的各种运动，如图1-10所示，无人机的整个飞行轨迹都是靠操控它的这六种运动来实现的。多旋翼无人机操控原理——运动控制①垂直运动控制。当同时增加或减小4个旋翼的升力时，无人机垂直上升或下降;当四旋翼产生的升力总和等于机体的自重时,四旋翼无人机便保持平衡状态。四个旋翼同时增加升力，无人机就开始垂直上升。多旋翼无人机操控原理——运动控制②偏航运动控制。当顺时针旋转的一对旋翼与逆时针旋转的另一对旋翼转速不同时,不平衡的反扭矩就会引起机体转动，达到方向(航向)控制目的，也就是这里所说的偏航运动控制。如图，在悬停状态下，图中的M1和M3同时增加升力，M2和M4同时减小升力，无人机就开始向右（从上往下看顺时针）偏航；反之则向左偏航。多旋翼无人机操控原理——运动控制③俯仰运动控制。在保持左右两个旋翼转速不变的情况下,增加(或减少)前面旋翼的转速，并相应减少(或增加)后面旋翼的转速,使得前后两个旋翼存在升力差,从而引起机身的俯仰运动。如图，当M2、M4的升力保持不变，M1增加升力，M3减小升力，无人机就开始向前做抬头运动。多旋翼无人机操控原理——运动控制④横滚运动控制。在保持前后两个旋翼转速不变的情况下,增加(或减少)左面旋翼的转速，并相应减少(或增加)右面旋翼的转速,使得左右两个旋翼存在升力差,从而引起机身的横滚运动。如图，当M1、M3的升力保持不变，M2增加升力，M4减小升力，无人机就开始向右做横滚运动。多旋翼无人机操控原理——运动控制⑤水平方向运动控制。水平方向运动控制，也就是控制无人机进行前后（或左右）的平动，首先通过控制无人机进行俯仰（或横滚）运动，然后保持无人机的姿态，无人机的升力就会产生一个水平分力，如图1-12所示，如前所述的牛顿第二运动定律，物体的加速度跟物体所受的合外力成正比，无人机的姿态和飞行速度的改变，需要在相应的方向上有力的作用。由于水平分力的存在，人机就会在升力