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如今,，飛行器越來越受到人們的青睞。 四軸飛行器最開始是由軍方研發(fā)的一種新式飛行器,。隨著 MEMS 傳感器,、單片機、電機和電池技術(shù)的發(fā)展和普及,，四軸飛行器已經(jīng)應(yīng)用到各個領(lǐng)域,，如軍事打擊、公安追捕,、災(zāi)害搜救,、農(nóng)林業(yè)調(diào)查,、輸電線巡查、廣告宣傳航拍,、航模玩具等,，已經(jīng)成為重要的遙感平臺。 目前應(yīng)用廣泛的飛行器有：固定翼飛行器和單軸的直升機,。與固定翼飛行器相比,，四軸飛行器機動性好，動作靈活,，可以垂直起飛降落和懸停，缺點是續(xù)航時間短得多,、飛行速度不快,；而與單軸直升機比，四軸飛行器的機械簡單,，無需尾槳抵消反力矩,，成本低 。 小編就小型電動四軸飛行器,，簡要介紹飛行器所涉及到的原理,。
飛行器由機架、電機,、螺旋槳和控制電路構(gòu)成,。 圖1 四軸飛行器整機 電氣構(gòu)成 電氣部分包括：控制電路板、電子調(diào)速器,、電池,，和一些外接的通訊、傳感器模塊,?？刂齐娐钒迨请姎獠糠值暮诵模厦姘?MCU,、陀螺儀,、加速度計、電子羅盤,、氣壓計等芯片,，負責(zé)計算姿態(tài)、處理通信命令和輸出控制信號到電子調(diào)速器,。電子調(diào)速器簡稱電調(diào),，用于控制無刷直流電機。電氣連接如圖 2所示,。 圖2 電氣連接圖 2.軟件構(gòu)成 上位機 上位機是針對飛行器的需要,，在 Qt SDK 上寫的一個桌面程序,，可以通過串口與飛行器相連，具備傳感器校正,、顯示姿態(tài),、測試電機、查看電量,、設(shè)置參數(shù)等功能,，主界面如圖3。 圖3 上位機界面 下位機 下位機為飛行器上 MCU 里的程序,，主要有三個任務(wù)：計算姿態(tài),、接受命令和輸出控制。下位機直接控制電機功率,，飛行器的安全性,、穩(wěn)定性、可操縱性都取決于它,。 3.飛行原理 3.1. 坐標(biāo)系統(tǒng) 飛行器涉及兩個空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)：地理坐標(biāo)系和機體坐標(biāo)系,。地理坐標(biāo)系是固連在地面的坐標(biāo)系，機體坐標(biāo)系是固連在飛行器上的坐標(biāo)系,。地理坐標(biāo)系采用“東北天坐標(biāo)系”,，X 軸指向東，為方便羅盤的使用,，Y 軸指向地磁北,，Z 軸指向天頂。機體坐標(biāo)系原點在飛行器中心,，xy 平面為電機所在平面,，電機分布在{|x|=|y|,z=0}的直線上，第一象限的電機帶正槳,，z 軸指向飛行器上方,。 圖4 地理坐標(biāo)系和機體坐標(biāo)系圖示 3.2姿態(tài)的表示和運算 飛行器的姿態(tài)，是指飛行器的指向,，一般用三個姿態(tài)角表示,，包括偏航角(yaw)、俯仰角(pitch)和滾轉(zhuǎn)角(roll),。更深一層,，姿態(tài)其實是一個旋轉(zhuǎn)變換，表示機體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系,，這里定義姿態(tài)為機體坐標(biāo)系向地理坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換,。旋轉(zhuǎn)變換有多種表示方式，包括變換矩陣,、姿態(tài)角,、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角,、四元數(shù)等。 3.3. 動力學(xué)原理 螺旋槳旋轉(zhuǎn)時,，把空氣對螺旋槳的壓力在軸向和側(cè)向兩個方向分解,，得到兩種力學(xué)效應(yīng)：推力和轉(zhuǎn)矩。當(dāng)四軸飛行器懸停時,，合外力為 0,，螺旋槳的推力用于抵消重力，轉(zhuǎn)矩則由成對的正槳反槳抵消,。當(dāng)飛行器運動時,，因為推力只能沿軸向，所以只能通過傾斜姿態(tài)來提供水平的動力,，控制運動由控制姿態(tài)來間接實現(xiàn),。 四軸飛行器的主要工作原理如上所述，由于姿態(tài)測量與控制過于專業(yè)化,，小編在此就不贅述了。 |
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