浅谈微型航拍无人机(旋翼)的基本结构原理嵌入式开发

简要介绍微型航拍无人机的结构形式与工作原理两方面的内容。

微型航拍无人机(旋翼)的结构形式

微型航拍无人机的四个旋翼分布在机体的前、后、左、右。为了达到机体稳定飞行的目的,四个旋翼在结构上保持水平一致,四个旋翼的大小、造型都一样,四个由微控器(MCU)控制的电机对称分布在飞行器的支架端,支架中部安装有飞行控制器(通常是微型工控板MCU,在这里可以使用经常提到的STM32嵌入式系统)和外部连接设备。它的基本结构形式如下图所示。

微型航拍无人机(旋翼)的工作原理

微型航拍无人机(旋翼)通过改变四个电机的转速来调整旋翼转速,达到无人机升力变化的需求,进而调节航拍无人机的运动形式。微型航拍无人机(旋翼)是6自由度垂直升降系统,由对称分布的四个电机提供四个输入力,有六个飞行状态,属于一种欠驱动系统的一种。微型航拍无人机(旋翼)沿各个自由度的飞行状态如下图所示。

由上图可以看到,这种微型航拍无人机(旋翼)的电机 1、电机 3逆时针旋转,与此同时电机 2、电机 4顺时针旋转。如果四个电机的转速相同,那么陀螺效应与空气动力扭矩效应相互抵消,使得无人机处于悬停状态。

由上图可知该无人机有6种飞行状态:

(a)垂直运动;

(b)俯仰运动;

(c)滚转运动;

(d)偏航运动;

(e)前后运动;

(f)侧向运动;

下面简单分析一下无人机是如何实现这6种飞行状态的。

把电机分成1、3与2、4这两组,当两组电机的输出功率增大,且达到相同的输出,拉力增大,总拉力大于无人机重量时机体垂直上升;反之,垂直下降。没有风的情况下无人机便维持悬停状态。

如果1、3组电机的输出功率小于2、4组,无人机由悬停状态变为自转状态,具体是沿逆时针自转。原因也很简单,这两组电机产生相反的扭矩,电机输出不同的情况下,机体自然会发生旋转。

如果2、4组电机的输出保持不变,而1、3组电机,其中一个的输出功率变小,那么无人机会向输出功率变小的电机的方向俯冲。

简单来说,无人机的飞行状态可以归纳为悬停、俯冲两种,其他飞行状态由此演变而来。相信学过空气动力学的读者应该很容易看明白上图中的6种飞行状态。

THE END
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