本篇博客我們(men) 來探究下多旋翼無人機的飛行原理

力的來源

飛行原理從(cong) 根上說的話就是係統運動力的來源是什麽(me) ？在基本組成部分介紹了無人機的動力係統：電調-電機-螺旋槳 。

給人最直觀的感受就是 電機帶動螺旋槳轉，產(chan) 生升力。

螺旋槳旋轉產(chan) 生升力的原因，在很多年前伯努利就給出了解釋，簡單說就是流速大，壓強小；流速小，壓強大，也就是伯努利定理。伯努利原理是流體(ti) 力學中的一條基本原理，它由瑞士流體(ti) 物理學家丹尼爾·伯努利在1726年提出，其實質是理想流體(ti) 的機械能守恒。在理想條件下，同一流管的任何一個(ge) 截麵處，單位體(ti) 積流體(ti) 的動能、勢能和壓力勢能之和是一個(ge) 常量 。其最為(wei) 著名的推論為(wei) ：等高流動時，流速越大，壓強越小。流體(ti) 力學中經常說的壓力，其實指的是單位麵積上的壓力，也就是普通物理學裏說的壓強。

 

 

可以看到螺旋槳的槳麵並不是平的，旋轉時槳麵上下的空氣流速不一直，會(hui) 產(chan) 生向上的推力。

飛行原理

上麵我們(men) 知道了飛行動力的來源，下麵我們(men) 來詳細介紹下多旋翼無人機的飛行原理。

以四軸飛行器為(wei) 例。四軸飛行器係統采用位於(yu) 機臂末端的電機帶動螺旋槳旋轉產(chan) 生反作用力方式實現飛行器的控製。單個(ge) 螺旋槳向下吹動空氣產(chan) 生垂直向上的反作用力，及與(yu) 旋轉方向相反的空氣摩擦阻力。

螺旋槳分為(wei) 正槳和反槳，正槳逆時針旋轉向下吹風，反槳順時針旋轉向下吹風。以正槳為(wei) 例，其旋轉時受力如圖：

 

如圖所示，紅色為(wei) 螺旋槳逆時針旋轉方向，黑色 F1 為(wei) 垂直向上的反作用力，

F2 為(wei) 空氣摩擦阻力。

安螺旋槳布局位置不同四旋翼無人機可分為(wei) “十”和“X”型結構，以“X”型結構為(wei) 例，下麵分析“X”型結構的飛行原理。

四軸飛行器係統可通過同時調節電機的轉速，實現三維空間六自由度的飛行。以四旋翼飛行器質點為(wei) 原點，機頭前方為(wei) x 軸正方向，機頭右方為(wei) y 軸正方向，機體(ti) 垂直向下為(wei) z 軸正方向，滿足右手定則建立機體(ti) 坐標係。

 

四軸飛行器係統的基本運動可分為(wei) 繞 x 軸的橫滾運動、繞 y 軸的俯仰運動、繞 z 軸的偏航運動以及沿 z 軸方向的升降運動。

橫滾運動

四軸飛行器係統通過同時加大 1 號和 4 號電機的轉速、減小 2 號和 3 號電機的轉速，產(chan) 生 x 軸兩(liang) 側(ce) 的升力差，在理想情況下， 2、 3 號電機減小的百分比與(yu) 1、4 號電機增大的百分比相等，以此來保證飛行器係統垂直方向的合力為(wei) 0，同時產(chan) 生沿 x 軸方向的水平分力，產(chan) 生橫滾角度α。

 

  

理想力學方程如下：

 

  

俯仰運動

四軸飛行器係統通過同時加大 2 號和 4 號電機的轉速、減小 1 號和 3 號電機的轉速，產(chan) 生 y 軸兩(liang) 側(ce) 的升力差，在理想情況下， 2、 4 號電機減小的百分比與(yu) 1、3 號電機增大的百分比相等，以此來保證飛行器係統垂直方向的合力為(wei) 0，同時產(chan) 生沿 y 軸方向的水平分力，產(chan) 生俯仰角度β。

 

  

理想力學方程如下：

 

 

偏航運動

四軸飛行器係統通過同時加大 1 號和 2 號電機的轉速、減小 3 號和 4 號電機的轉速，產(chan) 生反扭矩力差，在理想情況下，1、2 號電機減小的百分比與(yu) 3、4 號電機增大的百分比相等，以此來保證飛行器係統垂直方向的合力為(wei) 0，同時產(chan) 生繞 z 軸旋轉的力。

 

  

理想力學方程如下：

 

 

升降運動

同時增大或減小四個(ge) 電機，當四個(ge) 電機提供的拉力大於(yu) 飛行器自身重力時將產(chan) 生上升運動，當四個(ge) 電機提供的拉力小於(yu) 飛行器自身重力時將產(chan) 生下降運動。

 

 

旋翼無人機運動本質就是控製電機的速度，相應地提高、減慢速度就可以讓無人機以各種狀態運動起來。

如果在 機架、動力、飛控、遙控器，齊全的情況下，在飛控中，不加入複雜的控製算法，僅(jin) 將遙控器指令，轉換為(wei) 運動的電機轉速增減量，即可讓無人機在空中飛起來。但是此種情況的無人機會(hui) 非常難以控製，需要不斷的修各個(ge) 方向的杆量，這就是所謂的純手控模式，不建議嚐試。

無人機的控製模式

純手動模式

就是上麵說的模式，遙控器的杆量，和運動模式的電機轉速形成開環的控製量，無人機會(hui) 異常靈敏，難以控製。這種模式在無人機的算法或者傳(chuan) 感器出現問題，導致無人機自動控製無法實現的時候，可以嚐試救一下。

姿態模式

姿態模式就是飛控層麵起到了部分自動控製的功能。

飛控會(hui) 通過各種傳(chuan) 感器，感知自身的狀態，包括姿態角度和姿態角速度。

同時飛控會(hui) 通過接收遙控器的杆量，將杆量轉為(wei) 期望姿態值，然後通過閉環控製對無人機姿態值進行自動控製。

這種控製模式，相對純手動來說，飛機會(hui) 穩定很多，但是當遙控器杆量回中後，無人機會(hui) 向一個(ge) 方向飄，因為(wei) 杆量回中代表期望姿態角度為(wei) 0.但是在某方向上存在速度，無人機就按這個(ge) 速度方向飄了出去。

定高模式

飛控自身會(hui) 攜帶氣壓計，和慣導融合，感知自身高度狀態，當油門杆量輸入為(wei) 中值時，以當前高度為(wei) 期望高度，形成閉環控製。

無人機在z軸方向，可以實現位置穩定。水平方向相當於(yu) 姿態模式，無法實現位置穩定。

懸停模式

飛控通過GPS或其它定位傳(chuan) 感器，和慣導融合，感知自身位置狀態。當杆量輸入為(wei) 中值時，以當前位置為(wei) 期望位置，形成閉環控製。

無人機在x、y、z軸方向，可以實現位置穩定。

其它模式

這裏把其它的模式歸為(wei) 一類，像自動航線模式、指點飛行模式、興(xing) 趣點環繞模式等，都是建立在懸停模式的基礎上，隻是期望位置的輸入方式不一樣罷了。