四旋翼无人机的力学特性分析

黄云彬

(太原新希望双语学校,山西太原 030100)

1 无人机的发展趋势及现状

1.1 发展现状

无人机如今已经发展近90年,设计的最初目的主要是军事战争,无人驾驶飞机由于自身微型,灵活,无人操作等优点,进行侦察、干扰、搜索、掩护及能够发挥在非正规条件下作战能力,而如今已成为一个高科技产业,主要市场已从军用转到农业,电力,运输等行业,如抢险救灾;地理测绘;农林业应用：喷洒农药;影视娱乐：航拍;管线巡检：输电线,管道,环境监管,随着无人机的应用范围越来越广,对其要求也日益增加。不仅要实现稳定飞行、自动飞行,还要进行任务规划,轨迹跟踪等。

1.2 无人机的发展趋势

未来十年,军用无人机的需求将会增加至如今的三倍,渐渐成为军事发展的主流,发展的重点,同时,民用无人机的市场景气度也在提升,全球无人机的市场规模将由2015年的64亿美元增至2024年的115亿美元。随着市场规模的扩大,各国也在相应的技术领域相互比拼,美国技术优势仍然突出,欧洲无人机也处于世界领先水平,中国作为新生力量,紧追其后。

但是无人机的管理,即法律法规、行业管制尚待完善,以及技术仍不成熟,还未完全满足市场的需求,制约着商业等领域的应用。所以无人机还需向微小型,智能型,平民化,高效能型的方向发展。

1.3 四旋翼无人机

四旋翼无人机是无人机最常见的一种。其显著特点为垂直起降,定点悬停;操作容易,控制灵活。

但由于四旋翼无人机的结构特性,是一个欠驱动非线性系统,具有强耦合的特点,使其控制系统需要保持良好的解耦性与鲁棒性,所以其飞行极其依赖于飞行控制系统,来保持其稳定性。

目前最需解决的问题为四旋翼无人机的精确建模,修正和完善飞行控制系统的结构和参数,以及由于四旋翼无人机的力学机构,一方面,一般的飞机是由机身、推进系统、机翼、操作机构及系统、机载设备构成的,而四旋翼无人机,它无推进系统,只能通过旋翼转动产生推力,所以载重小,难以承载较多的货物及传感器;另一方面,飞机的稳定性和操纵性的好坏,完全取决于飞机的气动特性和机构参数。

2 飞机基本飞行原理与控制手段

2.1 飞机的受力分析

飞机一般都有六个自由度,速度的增减,升降,左右侧向移动,绕机体三轴的转动,分别能够表示出它的线运动和角运动。

飞机在飞行过程中,分布的压力可以看作是作用在飞机质心的合力及合力矩,纵向受到外力,包括推力,气动阻力。垂直受到外力,包括重力,气动升力。侧向受到外力包括气动侧力。由于纵向和横航向之间的气动交联较弱,可以简化分析。合力矩则有俯仰力矩、偏航力矩、滚转力矩。

其中升力是由机翼的形状迎角,机身的大迎角,平尾产生的。而四旋翼无人机主要通过桨翼旋转产生。

其中阻力分为零升阻力(与阻力无关),升致阻力(升力导致)。

其中侧力是由不对称的气流作用下产生的,由于侧滑角、滚转角速度,偏航角等导致的。

通过气动力与推力变化使得飞机的运动状态得到改变。其中方向舵,副翼,升降舵作为活动操纵面改变飞机的气动特性,飞机的油门改变飞机的推力,伴随着副翼变化进而改变飞机的速度,有时候也会改变飞机的俯仰状态,完成爬坡和俯冲。

2.2 飞机的控制系统

飞机是自主控制系统包括：决策层(基于传感器和环境实时决策)、外环控制器(位置和偏航方面,通过规划及规划对下一时刻的未知情况进行预判)、内环控制器(指令执行和稳定性进行控制,主要表现为速度)。

刚体的一般运动方程：ma=F,M=FL,由于飞机的运动状态只涉及线速度和角速度,通过以上两个方程就能表达出飞机运动的线速度和角速度方程。

3 四旋翼无人机的受力分析

根据分析飞机的力学特性,四旋翼无人机的气动力及推力的变化,会使其运动状态改变,表现在于旋翼和转速变化,也就是完成了六个自由度的姿态运动。

四旋翼无人机是由一个交叉对称的十字架和四个驱动装置构成的,所有旋翼都在一个面,四个旋翼可按顺时针编号为1、2、3、4。具体运动状态表现为：

(1)机体的悬停：1、3为逆时针,2、4为顺时针,且转速相同,产生的作用力矩相互抵消,垂直方向二力平衡。升降状态是由旋翼的转速决定的,转速越大,向上的升力越大。(2)俯仰运动及前后运动：1旋翼加速,3旋翼减速2、4旋翼转速不变,由于发生了俯仰运动,机身会发生倾斜从而产生一个水平的力,导致其进行直线运动。所以四旋翼无人机的俯仰运动和前后运动是相互耦合的。(3)滚转运动及左右运动：由于四旋翼无人机是中心对称的,所以和俯仰运动和前后运动的原理是相同的。(4)偏航状态：改变1、3或2、4的转速,使其力矩不平衡,产生了一个偏转的加速度。

4 四旋翼无人机的结构分析

优点：多旋翼可以利用不同轴的差速来调节姿态,这相比单旋翼来讲,优势更为明显,而不用单一地只用调节桨距的方法,或者加入尾桨抵消力矩,以调整飞行方向和姿态,从而使四旋翼无人机的结构更为精致。

缺点：由于增加轴数就会导致增加成本和重量,而要保持同样的升力又不能做的太小,最终结果：从单旋翼到多旋翼时,复杂度会降低,当旋翼数超出一定范围,效果反而会降低;并且制约着桨翼大小的因素还有转速,桨翼越小,转速越快,但是螺旋桨上下震动容易导致桨叶折断,桨翼越大,转速就越难提高。

由于以上的优缺点,为了使四旋翼无人机的性能更出色,可以在四旋翼无人机的结构进行优化：

通过改变螺旋桨之间的距离提高升力;增加活动部件(整流片),提高多旋翼的可靠性,增加差动装置,在遇到强风时,增加自身的静稳定性;减轻旋翼质量,使用密度小强度大的材料,增加桨叶的柔性;在电池这个短板上,选用质量更小、体积更小,能量密度更高的;由于螺旋桨效率是有上限的,所以为了提高整体效率,在载重一定的情况下,需要将桨叶的长度变大,这样扫过的面积就会变大,进而提升升力。

5 总结

四旋翼无人机因其独特的结构特点使其能应用于更多的场合,因此成为国内外较热的研究领域,因此无人机的力学设计仍然有较大的研究空间,它能够垂直起降、定点悬停,操作简单,但是载重质量无法太大。本文通过分析飞机的力学特性,提出了解决四旋翼无人机载重较小的解决方法,主要集中在四旋翼无人机的结构上。从螺旋桨、机翼和活动部件,机载设备的力学角度,一方面提高了飞机的升力,另一方面提高了它的稳定性,使四旋翼无人机整体能达到低质量、高载重、高功耗的特点,使其更加完善。

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