馬振江 趙永輝 蔣恒 侯曉峰 沈曉玉 馬國利

摘? 要：四旋翼飛行器演示儀可以清晰直觀的展示在空中是如何做前后左右平移、上升下降等基本動作。使用皮帶傳動的方式來演示四旋翼的六自由度運動過程，舵機用來演示四旋翼前后左右的傾斜方向，這樣既能精確控制又能保證演示的安全性。

關(guān)鍵詞：四旋翼;飛行原理;控制

中圖分類號：V22? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）32-0084-03

Abstract： The four-rotorcraft demonstration instrument can clearly and intuitively show how the basic movements are about how to do it before and after the movement， rise and fall. The use of belt drive to demonstrate the four-rotor six-degree-of-freedom movement process， the steering gear used to demonstrate the four rotor before and after the tilt direction， so that both accurate control and the safety of the demonstration can beguaranteed.

Keywords： four rotor; flight principle; control

引言

四旋翼飛行器是一種結(jié)構(gòu)新穎、性能卓越的新型無人飛行器，涉及眾多領(lǐng)域的高、精、尖技術(shù)，具備重要的應(yīng)用價值[1]。關(guān)于四旋翼飛行器不少人對它有一種神秘感，并不能理解這樣的一個“怪物”是如何在空中靈活運動的。隨著無人機行業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)在大家都把重點放在了無人機性能、功能以及應(yīng)用方面的研究，卻忽略了普通人并不知道四旋翼為什么能夠在空中靈活運動，這使得四旋翼雖然走進了千家萬戶，對它卻還是一知半解。研究設(shè)計一款四旋翼飛行器演示儀將為人們解開四旋翼的神秘面紗。設(shè)計的這款四旋翼飛行演示儀通過機械裝置來演示四旋翼的運動過程，讓四旋翼的運動原理一目了然。四旋翼的飛行原理和理論數(shù)據(jù)是四旋翼演示儀的理論基礎(chǔ)。

1 四旋翼飛行原理

旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，四個電機對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制器和外部設(shè)備[2]。結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機，雖只有四個輸入力，卻有六個狀態(tài)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)[3]。四旋翼飛行器的電機1和電機3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機2和電機4順時針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時，陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消。在圖2所示中，電機1和電機3作逆時針旋轉(zhuǎn)，電機2和電機4作順時針旋轉(zhuǎn)，規(guī)定沿x軸正方向運動稱為向前運動[4]，在旋翼運動平面上的箭頭向上方表示此電機轉(zhuǎn)速提高，箭頭向下方表示此電機轉(zhuǎn)速下降。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

四旋翼原理演示儀沒有采用真正的動力飛行，而是使用機械結(jié)構(gòu)來進行四旋翼的飛行原理演示。采用機械結(jié)構(gòu)是為了更好的演示四旋翼的飛行原理，這樣就解決了在小場地、低速運動下也能讓四旋翼“飛”起來，能更清楚直觀的演示多旋翼的飛行運動原理。整套系統(tǒng)包括機械結(jié)構(gòu)和控制部分。

2.1 機械機構(gòu)

機械結(jié)構(gòu)主要包括四旋翼飛行器、支撐及傳動部分。結(jié)構(gòu)、實物如圖3、4所示。

2.1.1 四旋翼飛行器

把四旋翼飛行器的四個電機及旋翼拆掉，在每個電機、旋翼處安裝6個LED燈，根據(jù)6個LED燈閃爍旋轉(zhuǎn)快慢直觀的展示電機（旋翼）的轉(zhuǎn)速，清楚的展示四個電機的差速。

2.1.2 支撐及傳動部分

演示儀由一個邊長為1m的立方體鋼架支撐，在四旋翼飛行器下面由上往下安裝有2個舵機，控制飛行器前后左右的傾斜，下面舵機與推桿電機相連，推桿電機控制飛行器的升降。推桿電機安裝在X、Y滑桿交匯處，如圖5所示。在靠近鋼架底部安裝有2臺步進電機，步進電機分別與飛行器支撐橫桿X、Y由皮帶相連接，由步進電機控制飛行器在X、Y軸方向上的運動。

2.1.3 控制部分

控制部分包括遙控器、液晶屏、飛行控制器、單片機。由遙控器或者液晶屏輸入運動狀態(tài)指令，飛行控制器接收到指令后，一方面控制四組LED燈的閃爍旋轉(zhuǎn)的速度，另一方面把運動狀態(tài)指令（前后左右、上升下降）通過單片機控制舵機、步進電機、推桿電機，使得飛行器前后左右、上升下降運動。在操作體驗方面采用了兩種控制方式：（1）通過遙控器推桿演示，這個更貼近真實的四旋翼飛行器的遙控方式;（2）通過輸入四個電機的轉(zhuǎn)速控制四旋翼的運動，這種方式可以更好的驗證四旋翼的運動原理。

3 四旋翼飛行器演示儀“飛行”控制

（1）垂直運動：在圖2（a）中，同時增加四個“電機”的輸出功率，LED燈旋轉(zhuǎn)加快，四旋翼飛行器便在推桿電機的作用下垂直上升;反之，垂直下降。

（2）俯仰運動：在圖2（b）中，LED燈1的轉(zhuǎn)速上升，LED燈3的轉(zhuǎn)速下降（改變量大小應(yīng)相等），LED燈2、LED燈4的轉(zhuǎn)速保持不變，產(chǎn)生的不平衡力矩使機身繞y軸旋轉(zhuǎn);反向同理，機身便繞y軸向另一個方向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)飛行器的俯仰運動[5]。

（3）前后運動：要想實現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運動，必須在水平面內(nèi)對飛行器施加一定的力。在圖2（e）中，增加LED燈3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小LED燈1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時保持其它兩個電機轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。按圖2（b）的理論，飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實現(xiàn)飛行器的前飛運動。向后飛行與向前飛行正好相反。（在圖2（b）、（c）中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運動的同時也會產(chǎn)生沿x、y軸的水平運動）

4 結(jié)論

四旋翼飛行器演示儀是設(shè)計在立方體空間內(nèi)可以做六自由度飛行演示。此套設(shè)備簡單，在演示、教學(xué)中獨辟蹊徑，并通過此機械結(jié)構(gòu)可以解決使用實際飛行時速度快、空間小而無法進行原理演示的問題。有兩種控制演示方式：（1）通過遙控器推桿演示，這個更貼近真實的四旋翼飛行器的遙控方式;（2）通過輸入四個電機的轉(zhuǎn)速控制四旋翼的運動，這種方式可以更好的驗證四旋翼的運動原理，能夠使體驗學(xué)習(xí)者更好的掌握四旋翼的運動原理;這兩種不同的演示方式使四旋翼飛行器演示儀能夠應(yīng)用到更多的場合中去。

參考文獻：

[1]劉杰.四軸飛行器研究與設(shè)計[D].南京：南京郵電大學(xué)，2013.

[2]呂國強，鄭德峰.四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計[J].價值工程，2014：213-214.

[3]楊明志.四旋翼飛行器自動駕駛儀設(shè)計[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

[4]周俊濤.四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].大連：大連理工大學(xué)，2012.

[5]李波陳，王洪洲，劉曉棟，等.可伸縮折疊式四旋翼飛行器設(shè)計[J].機械研究與應(yīng)用，2015，28（2）：121-124.