李業(yè)新

上期曾提到目前空心杯電機在航空模型上的應(yīng)用，如四軸飛行器、室內(nèi)遙控模型、舵機等。下面探討空心杯電機在航空模型器材中所扮演的角色。

十二、空心杯電機與航模產(chǎn)品

1.四軸飛行器

四軸飛行器是多旋翼飛行器的一種，其上4個螺旋槳分別與電機直連，結(jié)構(gòu)簡單。4臺電機呈“十”字形分布（圖1），飛行器可通過改變電機的轉(zhuǎn)速調(diào)整自身姿態(tài)。因其飛行控制系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，故很長一段時間未有大尺寸商用四軸飛行器問世。近年來得益于微機電控制技術(shù)的發(fā)展，搭載了飛行控制模塊、各項性能穩(wěn)定的四軸飛行器得到了廣泛關(guān)注，應(yīng)用前景十分可觀。

雖然四軸飛行器本身有6個活動自由度（分別沿互相垂直的三坐標(biāo)系做平移和旋轉(zhuǎn)動作），但是僅能靠調(diào)節(jié)4臺電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)控制，可視為只有4個控制自由度。這種控制自由度少于活動自由度的系統(tǒng)，也被稱為欠驅(qū)動系統(tǒng)。

空心杯電機主要用作小型或微型四軸的動力。如果單獨考慮四軸飛行器的姿態(tài)控制，即沿3個坐標(biāo)軸完成繞軸旋轉(zhuǎn)，4臺電機足以實現(xiàn)完整驅(qū)動。為了保證飛行穩(wěn)定，四軸飛行器上還裝有三軸陀螺儀和加速度傳感器（圖2、圖3）。這些零部件構(gòu)成了慣性導(dǎo)航模塊，可實時計算飛行器相對地面的姿態(tài)、加速度、角速度等。利用預(yù)先編好的算法，飛行控制系統(tǒng)可以算出飛行器維持當(dāng)時狀態(tài)所需的升力和扭矩，并通過電調(diào)控制各臺電機輸出大小合適的力。具體情況如下。

（1）上下移動

如圖4所示，依序給四軸飛行器的4臺電機編號，并建立三軸坐標(biāo)系。啟動油門時，電機1和電機3旋轉(zhuǎn)方向相同，且與電機2和電機4的旋轉(zhuǎn)方向相反，機身的扭矩平衡。在接到向上移動的指令后，飛行控制系統(tǒng)同時加大4臺電機的輸出功率，使得與之相連的螺旋槳轉(zhuǎn)速逐漸增加，飛行器所受拉力之和增大；當(dāng)總拉力大于機體自重時，飛行器離地并垂直上升（圖5）。

在飛行途中如果發(fā)出向下移動的指令，飛行控制系統(tǒng)會同時減小4臺電機的輸出功率，使得與之相連的螺旋槳轉(zhuǎn)速逐漸降低，飛行器所受拉力之和變??；當(dāng)總拉力小于機體自重時，飛行器垂直下降，直至落地。

四軸飛行器的垂直/上下移動，實現(xiàn)了機體沿Z軸的平移。與4臺電機相連的螺旋槳轉(zhuǎn)速同步增加或減小，是其中的關(guān)鍵。當(dāng)外界擾動量為零，且在螺旋槳產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態(tài)。保證四個螺旋槳轉(zhuǎn)速同步增加或減小是做這類動作的關(guān)鍵。

（2）俯仰運動

即四軸飛行器沿三軸坐標(biāo)系的Y軸轉(zhuǎn)動。正常飛行時，電機1和電機3旋轉(zhuǎn)方向相同，且與電機2和電機4的旋轉(zhuǎn)方向相反。在接到“抬頭”（仰）的指令后，電機1的轉(zhuǎn)速上升、電機3的轉(zhuǎn)速下降，電機2和電機4的轉(zhuǎn)速不變，使得螺旋槳1提供的升力增加，螺旋槳3提供的升力減小，二者形成的力矩使機體開始繞Y軸順時針旋轉(zhuǎn)（圖6）。

同理在接到“低頭”（俯）指令后，飛行控制系統(tǒng)會控制電機1的轉(zhuǎn)速下降、電機3的轉(zhuǎn)速上升。很快，四軸飛行器便會開始繞Y軸逆時針旋轉(zhuǎn)。為了不讓飛行器因螺旋槳轉(zhuǎn)速改變失控，螺旋槳1和螺旋槳3的轉(zhuǎn)速改變量必須一致。

（3）滾轉(zhuǎn)運動

即四軸飛行器沿三軸坐標(biāo)系的X軸轉(zhuǎn)動，其原理類似俯仰運動。如圖7所示，在接到繞X軸順時針轉(zhuǎn)動的指令后，電機4的轉(zhuǎn)速上升、電機2的轉(zhuǎn)速下降，電機1和電機3的轉(zhuǎn)速不變，二者形成的力矩使機體開始繞X軸順時針旋轉(zhuǎn)（圖7），反之亦然。

（4）偏航運動

即四軸飛行器沿三軸坐標(biāo)系的Z軸轉(zhuǎn)動，主要靠螺旋槳產(chǎn)生的扭矩實現(xiàn)。螺旋槳在轉(zhuǎn)動過程中，因空氣阻力會產(chǎn)生與其轉(zhuǎn)動方向相反的扭矩。為防止機體發(fā)生扭轉(zhuǎn)，須使4個螺旋槳中兩個順時針旋轉(zhuǎn)、兩個逆時針旋轉(zhuǎn)，且同一對角線上的旋翼旋轉(zhuǎn)方向相同。又因螺旋槳轉(zhuǎn)速與其產(chǎn)生的扭矩大小相關(guān)，所以當(dāng)四軸飛行器的4臺電機轉(zhuǎn)速相同時，機體扭矩平衡，不會繞Z軸轉(zhuǎn)動；當(dāng)轉(zhuǎn)速不一致時，機體開始繞Z軸轉(zhuǎn)動。

如圖8所示，在接到繞Z軸順時針轉(zhuǎn)動的指令后，電機1、電機3的轉(zhuǎn)速上升，電機2、電機4的轉(zhuǎn)速下降，使得螺旋槳1和螺旋槳3產(chǎn)生的扭矩（順時針）大于螺旋槳2和螺旋槳4產(chǎn)生的扭矩（逆時針）。二者抵消后總扭矩還是順時針方向，機體便在它的作用下開始繞Z軸順時針旋轉(zhuǎn)（圖8）。而螺旋槳1和螺旋槳3提供的升力增加，螺旋槳2和螺旋槳4提供的升力減小，只要二者形成的升力總和保持不變，機體便不會上下移動。

（5）平面移動

水平面內(nèi)的移動包括前后、左右移動，即四軸飛行器沿三軸坐標(biāo)系的X軸或Y軸平移。要實現(xiàn)這類動作，就得在水平面內(nèi)對飛行器施加一定的力。

根據(jù)之前的討論，當(dāng)電機3轉(zhuǎn)速上升、電機1轉(zhuǎn)速下降、其余兩臺電機轉(zhuǎn)速不變時，只要螺旋槳3和螺旋槳1產(chǎn)生的總扭矩不變，機體就不會繞Z軸旋轉(zhuǎn)。而電機轉(zhuǎn)速的變化，必然導(dǎo)致螺旋槳3產(chǎn)生的升力增加、螺旋槳1的升力減小。只要控制得好，機體就不會上下移動，但會開始繞Y軸逆時針轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動后，飛行器與水平面呈一定的夾角，其中升力的水平分量會帶動機體向前移動（圖9）。

之前曾提到，四軸飛行器是欠驅(qū)動系統(tǒng)。從本節(jié)可看到，其前飛和后飛，必然附帶俯仰運動；同理其左移和右移，必然附帶滾轉(zhuǎn)運動（圖10）。

與固定翼模型不同，四軸飛行器采用垂直起降方式，類似模型直升機。二者相較，四軸飛行器能做到的飛行動作和姿態(tài)較少，不過前后、左右、上下移動等動作均能實現(xiàn)，可滿足特定需求；且其機械結(jié)構(gòu)遠比模型直升機簡單，維修和配件費用較少。以上優(yōu)點，使得四軸飛行器在特定領(lǐng)域有了比模型直升機更大的應(yīng)用優(yōu)勢。（未完待續(xù)）