[科普中國]-四旋翼

簡介

四旋翼直升機(jī)，國外又稱Quadrotor，Four-rotor，4 rotors helicopter，X4-flyer等等，是一種具有四個(gè)螺旋槳的飛行器并且四個(gè)螺旋槳呈十字形交叉結(jié)構(gòu)，相對的四旋翼具有相同的旋轉(zhuǎn)方向，分兩組，兩組的旋轉(zhuǎn)方向不同。與傳統(tǒng)的直升機(jī)不同，四旋翼直升機(jī)只能通過改變螺旋槳的速度來實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作（目前，也出現(xiàn)可以改變螺距的四旋翼飛行器，這種控制方式比改變電機(jī)轉(zhuǎn)速更靈活方便）。1

在大學(xué)里，一些對四旋翼直升機(jī)感興趣的大學(xué)生將數(shù)學(xué)算法運(yùn)用到機(jī)器當(dāng)中，創(chuàng)造出了極富智能的四旋翼直升機(jī)，TED講壇中有所詮釋。優(yōu)酷搜索“TED - 紅遍全球的的炫酷飛行器”。

四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)和原理結(jié)構(gòu)形式旋翼對稱分布在機(jī)體的前后，左右四個(gè)方向，四個(gè)旋翼處于同一高度平面，四個(gè)旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑相同，四個(gè)電機(jī)對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間安放飛行控制計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備。

四旋翼飛行器一般是由四個(gè)可以獨(dú)立控制轉(zhuǎn)速的外轉(zhuǎn)子直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺旋槳提供全部動(dòng)力的飛行運(yùn)動(dòng)裝置，四個(gè)固定迎角的螺旋槳分別安裝在兩個(gè)十字相交的剛性碳素桿的兩端。對于絕大多數(shù)四旋翼飛行器來講，飛行器的結(jié)構(gòu)是關(guān)于兩根碳素桿的交點(diǎn)對稱的，并且兩個(gè)相鄰的螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反；正是由于這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)，使四旋翼飛行器抵消了飛機(jī)的陀螺效應(yīng)。

工作原理通過調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，進(jìn)而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼是一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是一種六自由度的垂直升降機(jī)，四個(gè)輸入力，六個(gè)狀態(tài)輸出。

垂直飛行控制：控制飛機(jī)的爬升，下降和懸停。圖中藍(lán)色弧線箭頭方向表示螺旋槳旋轉(zhuǎn)的方向，以下同。當(dāng)四旋翼處于水平位置時(shí)，在垂直方向上，慣性坐標(biāo)系同機(jī)體坐標(biāo)系重合。同時(shí)增加或減小四個(gè)旋翼的螺旋槳轉(zhuǎn)速，四個(gè)旋翼產(chǎn)生的升力使得機(jī)體上升或下降，從而實(shí)現(xiàn)爬升和下降。懸停時(shí)，保持四個(gè)旋翼的螺旋槳轉(zhuǎn)速相等，并且保證產(chǎn)生的合推力與重力相平衡，使四旋翼在某一高度處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，各姿態(tài)角為零。垂直飛行控制的關(guān)鍵是要穩(wěn)定四個(gè)旋翼的螺旋槳轉(zhuǎn)速使其變化一致。

橫滾控制：如圖所示，通過增加左邊旋翼螺旋槳轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小右邊旋翼螺旋槳轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時(shí)保持其它兩個(gè)旋翼螺旋槳轉(zhuǎn)速不變。這樣由于存在拉力差，機(jī)身會(huì)產(chǎn)生側(cè)向傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，使機(jī)體向右運(yùn)動(dòng)，當(dāng)2,4轉(zhuǎn)速相等時(shí)，可控制四旋翼飛行器作側(cè)向平飛運(yùn)動(dòng)。

俯仰控制：在保持左右兩個(gè)旋翼螺旋槳轉(zhuǎn)速不變的情況下，減少前面旋翼螺旋槳的轉(zhuǎn)速，并相應(yīng)增加前面旋翼螺旋槳的轉(zhuǎn)速，使得前后兩個(gè)旋翼存在拉力差，從而引起機(jī)身的前后傾斜，使旋翼拉力產(chǎn)生與橫滾控制中水平方向正交的水平分量，使機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)。類似的，當(dāng)1,3轉(zhuǎn)速相同時(shí)可控制四旋翼飛行器作縱向平飛運(yùn)動(dòng)。

偏航控制：四旋翼飛行器為了克服反扭矩影響，四個(gè)旋翼螺旋槳中的兩個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，對角線上兩個(gè)螺旋槳上的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。反扭矩大小與旋翼螺旋槳轉(zhuǎn)速有關(guān)，四個(gè)旋翼螺旋槳轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，不平衡的反扭矩會(huì)引起機(jī)體的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此可以設(shè)計(jì)四旋翼飛行器的偏航控制，即同時(shí)提升一對同方向旋轉(zhuǎn)的旋翼螺旋槳轉(zhuǎn)速并且降低另一對相反方向旋轉(zhuǎn)的旋翼螺旋槳轉(zhuǎn)速，并保證轉(zhuǎn)速增加的旋翼螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)方向與四旋翼飛行器機(jī)身的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。2

機(jī)翼特點(diǎn)四個(gè)旋翼作為飛行的直接動(dòng)力源，旋翼對稱分布在機(jī)體的前后、左右四個(gè)方向，四個(gè)旋翼處于同一高度平面，且四個(gè)旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同。

應(yīng)用四旋翼飛行器在軍用領(lǐng)域中的應(yīng)用狀況分析四旋翼飛行器采取的是輪式起降技術(shù)以及組合導(dǎo)航模式等策略，對抗空中氣流沖擊時(shí)的動(dòng)力性極強(qiáng)，且具備極佳的反監(jiān)視、抗信號偵測干擾等優(yōu)勢?；诖耍男盹w行器在世界軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用較為廣泛，在多用途無人機(jī)系統(tǒng)平臺的操縱下，能夠圓滿完成地形勘測等多項(xiàng)軍事任務(wù)。與常規(guī)旋翼飛行器如傳統(tǒng)布局的直升機(jī)等相比，四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)更為緊湊，動(dòng)力利用效率高，并且，四只翼扭力矩可相互抵消，不需專門的反扭矩旋翼，便于實(shí)現(xiàn)微小型化，特別適合在近地面環(huán)境（如室內(nèi)、街巷和叢林中）執(zhí)行監(jiān)視、偵察等任務(wù)，具有廣闊的軍事前景。此外，四旋翼飛行器在操作過程中十分便捷，且該設(shè)備在維護(hù)方面的成本較低。3

四旋翼飛行器在民用領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析在最初，四旋翼飛行器憑借其機(jī)身小、動(dòng)力足等優(yōu)勢，在世界范圍內(nèi)的軍用領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，發(fā)展至今，四旋翼飛行器已經(jīng)在民用領(lǐng)域中屢見不鮮，是國內(nèi)外各主要地區(qū)開展醫(yī)療救助、特殊地區(qū)資源運(yùn)載等工作的主要設(shè)備。在2013年4月20四川蘆山地震災(zāi)區(qū)寶盛鄉(xiāng)的金雞峽谷3公里塌方帶上，國土資源部應(yīng)急地質(zhì)災(zāi)害技術(shù)指導(dǎo)中心張斌教授帶領(lǐng)的隊(duì)伍用先進(jìn)的四旋翼無人飛行器在整個(gè)金雞峽進(jìn)行兩次長達(dá)20多分鐘的航拍，全面了解金雞峽地區(qū)山體上滑坡、掉石情況。這個(gè)無人機(jī)只有3公斤重，一個(gè)箱子就能帶走。操作簡單，飛行高度1000米以下，飛行距離可以超視距，坐在指揮車上，山上的情況通過高清畫面直接傳回，雙向視頻傳輸，特別方便溝通交流。另外，四旋翼飛行器在我國教育領(lǐng)域中的應(yīng)用也逐漸推廣開來，為學(xué)生科研項(xiàng)目小組的構(gòu)建提供優(yōu)秀的研究素材，廣大年輕學(xué)生及業(yè)界專家學(xué)者一直在持續(xù)進(jìn)行針對四旋翼飛行器設(shè)備性能提升等方面的研究與實(shí)踐。3