四旋翼無(wú)人機(jī)的力學(xué)特性分析

黃云彬

(太原新希望雙語(yǔ)學(xué)校,山西太原 030100)

1 無(wú)人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)及現(xiàn)狀

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)如今已經(jīng)發(fā)展近90年,設(shè)計(jì)的最初目的主要是軍事戰(zhàn)爭(zhēng),無(wú)人駕駛飛機(jī)由于自身微型,靈活,無(wú)人操作等優(yōu)點(diǎn),進(jìn)行偵察、干擾、搜索、掩護(hù)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(gè)高科技產(chǎn)業(yè),主要市場(chǎng)已從軍用轉(zhuǎn)到農(nóng)業(yè),電力,運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè),如搶險(xiǎn)救災(zāi);地理測(cè)繪;農(nóng)林業(yè)應(yīng)用：噴灑農(nóng)藥;影視娛樂(lè)：航拍;管線(xiàn)巡檢：輸電線(xiàn),管道,環(huán)境監(jiān)管,隨著無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣,對(duì)其要求也日益增加。不僅要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行、自動(dòng)飛行,還要進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃,軌跡跟蹤等。

1.2 無(wú)人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)十年,軍用無(wú)人機(jī)的需求將會(huì)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(diǎn),同時(shí),民用無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)景氣度也在提升,全球無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)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(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大,各國(guó)也在相應(yīng)的技術(shù)領(lǐng)域相互比拼,美國(guó)技術(shù)優(yōu)勢(shì)仍然突出,歐洲無(wú)人機(jī)也處于世界領(lǐng)先水平,中國(guó)作為新生力量,緊追其后。

但是無(wú)人機(jī)的管理,即法律法規(guī)、行業(yè)管制尚待完善,以及技術(shù)仍不成熟,還未完全滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求,制約著商業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。所以無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)

四旋翼無(wú)人機(jī)是無(wú)人機(jī)最常見(jiàn)的一種。其顯著特點(diǎn)為垂直起降,定點(diǎn)懸停;操作容易,控制靈活。

但由于四旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)特性,是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)非線(xiàn)性系統(tǒng),具有強(qiáng)耦合的特點(diǎn),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(lài)于飛行控制系統(tǒng),來(lái)保持其穩(wěn)定性。

目前最需解決的問(wèn)題為四旋翼無(wú)人機(jī)的精確建模,修正和完善飛行控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù),以及由于四旋翼無(wú)人機(jī)的力學(xué)機(jī)構(gòu),一方面,一般的飛機(jī)是由機(jī)身、推進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)翼、操作機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)、機(jī)載設(shè)備構(gòu)成的,而四旋翼無(wú)人機(jī),它無(wú)推進(jìn)系統(tǒng),只能通過(guò)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)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(jī)的穩(wěn)定性和操縱性的好壞,完全取決于飛機(jī)的氣動(dòng)特性和機(jī)構(gòu)參數(shù)。

2 飛機(jī)基本飛行原理與控制手段

2.1 飛機(jī)的受力分析

飛機(jī)一般都有六個(gè)自由度,速度的增減,升降,左右側(cè)向移動(dòng),繞機(jī)體三軸的轉(zhuǎn)動(dòng),分別能夠表示出它的線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)。

飛機(jī)在飛行過(guò)程中,分布的壓力可以看作是作用在飛機(jī)質(zhì)心的合力及合力矩,縱向受到外力,包括推力,氣動(dòng)阻力。垂直受到外力,包括重力,氣動(dòng)升力。側(cè)向受到外力包括氣動(dòng)側(cè)力。由于縱向和橫航向之間的氣動(dòng)交聯(lián)較弱,可以簡(jiǎn)化分析。合力矩則有俯仰力矩、偏航力矩、滾轉(zhuǎn)力矩。

其中升力是由機(jī)翼的形狀迎角,機(jī)身的大迎角,平尾產(chǎn)生的。而四旋翼無(wú)人機(jī)主要通過(guò)槳翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生。

其中阻力分為零升阻力(與阻力無(wú)關(guān)),升致阻力(升力導(dǎo)致)。

其中側(cè)力是由不對(duì)稱(chēng)的氣流作用下產(chǎn)生的,由于側(cè)滑角、滾轉(zhuǎn)角速度,偏航角等導(dǎo)致的。

通過(guò)氣動(dòng)力與推力變化使得飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)得到改變。其中方向舵,副翼,升降舵作為活動(dòng)操縱面改變飛機(jī)的氣動(dòng)特性,飛機(jī)的油門(mén)改變飛機(jī)的推力,伴隨著副翼變化進(jìn)而改變飛機(jī)的速度,有時(shí)候也會(huì)改變飛機(jī)的俯仰狀態(tài),完成爬坡和俯沖。

2.2 飛機(jī)的控制系統(tǒng)

飛機(jī)是自主控制系統(tǒng)包括：決策層(基于傳感器和環(huán)境實(shí)時(shí)決策)、外環(huán)控制器(位置和偏航方面,通過(guò)規(guī)劃及規(guī)劃對(duì)下一時(shí)刻的未知情況進(jìn)行預(yù)判)、內(nèi)環(huán)控制器(指令執(zhí)行和穩(wěn)定性進(jìn)行控制,主要表現(xiàn)為速度)。

剛體的一般運(yùn)動(dòng)方程：ma=F,M=FL,由于飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)只涉及線(xiàn)速度和角速度,通過(guò)以上兩個(gè)方程就能表達(dá)出飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的線(xiàn)速度和角速度方程。

3 四旋翼無(wú)人機(jī)的受力分析

根據(jù)分析飛機(jī)的力學(xué)特性,四旋翼無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)力及推力的變化,會(huì)使其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變,表現(xiàn)在于旋翼和轉(zhuǎn)速變化,也就是完成了六個(gè)自由度的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。

四旋翼無(wú)人機(jī)是由一個(gè)交叉對(duì)稱(chēng)的十字架和四個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成的,所有旋翼都在一個(gè)面,四個(gè)旋翼可按順時(shí)針編號(hào)為1、2、3、4。具體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)表現(xiàn)為：

(1)機(jī)體的懸停：1、3為逆時(shí)針,2、4為順時(shí)針,且轉(zhuǎn)速相同,產(chǎn)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(zhuǎn)速?zèng)Q定的,轉(zhuǎn)速越大,向上的升力越大。(2)俯仰運(yùn)動(dòng)及前后運(yùn)動(dòng)：1旋翼加速,3旋翼減速2、4旋翼轉(zhuǎn)速不變,由于發(fā)生了俯仰運(yùn)動(dòng),機(jī)身會(huì)發(fā)生傾斜從而產(chǎn)生一個(gè)水平的力,導(dǎo)致其進(jìn)行直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。所以四旋翼無(wú)人機(jī)的俯仰運(yùn)動(dòng)和前后運(yùn)動(dòng)是相互耦合的。(3)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及左右運(yùn)動(dòng)：由于四旋翼無(wú)人機(jī)是中心對(duì)稱(chēng)的,所以和俯仰運(yùn)動(dòng)和前后運(yùn)動(dòng)的原理是相同的。(4)偏航狀態(tài)：改變1、3或2、4的轉(zhuǎn)速,使其力矩不平衡,產(chǎn)生了一個(gè)偏轉(zhuǎn)的加速度。

4 四旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

優(yōu)點(diǎn)：多旋翼可以利用不同軸的差速來(lái)調(diào)節(jié)姿態(tài),這相比單旋翼來(lái)講,優(yōu)勢(shì)更為明顯,而不用單一地只用調(diào)節(jié)槳距的方法,或者加入尾槳抵消力矩,以調(diào)整飛行方向和姿態(tài),從而使四旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)更為精致。

缺點(diǎn)：由于增加軸數(shù)就會(huì)導(dǎo)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(jié)果：從單旋翼到多旋翼時(shí),復(fù)雜度會(huì)降低,當(dāng)旋翼數(shù)超出一定范圍,效果反而會(huì)降低;并且制約著槳翼大小的因素還有轉(zhuǎn)速,槳翼越小,轉(zhuǎn)速越快,但是螺旋槳上下震動(dòng)容易導(dǎo)致槳葉折斷,槳翼越大,轉(zhuǎn)速就越難提高。

由于以上的優(yōu)缺點(diǎn),為了使四旋翼無(wú)人機(jī)的性能更出色,可以在四旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化：

通過(guò)改變螺旋槳之間的距離提高升力;增加活動(dòng)部件(整流片),提高多旋翼的可靠性,增加差動(dòng)裝置,在遇到強(qiáng)風(fēng)時(shí),增加自身的靜穩(wěn)定性;減輕旋翼質(zhì)量,使用密度小強(qiáng)度大的材料,增加槳葉的柔性;在電池這個(gè)短板上,選用質(zhì)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(zhǎng)度變大,這樣掃過(guò)的面積就會(huì)變大,進(jìn)而提升升力。

5 總結(jié)

四旋翼無(wú)人機(jī)因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其能應(yīng)用于更多的場(chǎng)合,因此成為國(guó)內(nèi)外較熱的研究領(lǐng)域,因此無(wú)人機(jī)的力學(xué)設(shè)計(jì)仍然有較大的研究空間,它能夠垂直起降、定點(diǎn)懸停,操作簡(jiǎn)單,但是載重質(zhì)量無(wú)法太大。本文通過(guò)分析飛機(jī)的力學(xué)特性,提出了解決四旋翼無(wú)人機(jī)載重較小的解決方法,主要集中在四旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)上。從螺旋槳、機(jī)翼和活動(dòng)部件,機(jī)載設(shè)備的力學(xué)角度,一方面提高了飛機(jī)的升力,另一方面提高了它的穩(wěn)定性,使四旋翼無(wú)人機(jī)整體能達(dá)到低質(zhì)量、高載重、高功耗的特點(diǎn),使其更加完善。

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