四轴飞行器姿态控制系统设计

只看该作者 · 2019-5-14 18:55

先学习下四轴的工作原理，那样，对以后的开发也相对来说方便多了。

四旋翼飞行器结构形式，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。与传统的直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。四旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。基本运动状态分别是：

（1）垂直运动；

（2）俯仰运动；

（3）滚转运动；

（4）偏航运动；

（5）前后运动；

（6）侧向运动。

只看该作者 · 2019-5-14 18:56

在图中，电机1和电机3作逆时针旋转，电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。
（1）垂直运动：垂直运动相对来说比较容易。在图中，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。

只看该作者 · 2019-5-14 18:56

（3）滚转运动：与图b的原理相同，在图c中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。

只看该作者 · 2019-5-14 18:56

（4）偏航运动：四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的来年各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图d中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。

只看该作者 · 2019-5-14 18:57

（5）前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图e中，增加电机3转速，使拉力增大，相应减小电机1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。当然在图b图c中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。

只看该作者 · 2019-5-14 18:57

（6）倾向运动：在图f中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。
总得来说就是控制四个电机的速度了。然后相应的提高速度和减慢速度就可以让四轴动起来了。

只看该作者 · 2019-5-14 18:58

下面还有对电机，电池和浆的各种搭配：

电池：

什么叫1S电池，2S电池，3S电池？

1S：锂电1块3.7V 充满是4.2V

2S：就是2块锂电串联 7.4V

3S：就是3块锂电串联 11.1V

S是代表串连，P是代表并。3S就是代表3节电池串连，3P就代表3节电池并连。

电池的放电能力，最大持续电流是：容量X放电C数

例如:1500MA,10C, 则最大的持续电流就是=1.5X10=15安

如果该电池长时间超过15安或以上电流工作，那么电池的寿命会变短、还有电池的充满电压单片4.15-4.20合适，用后的最低电压为单片3.7以上（切记不要过放），长期不用的保存电压最好为3.9。

电机：

电机KV值：电机的转速（空载）=KV值X电压；

例如KV1000的电机在10V电压下它的转速（空载）就是10000转/分钟。

电机的KV值越高，提供出来的扭力就越小。所以，KV值的大小就与浆有着密切的关系，以下就这点提供一下配浆经验：

浆：

1060浆，10代表长的直径是10寸，60表示浆角（螺距).

前两位数表示直径，后两位表示螺距。

搭配：

一般电机与浆是这样配的：

3S电池下；KV900-1000的电机配1060或1047浆，9寸浆也可

            KV1200-1400配9050（9寸浆）至8*6浆

            KV1600-1800左右的7寸至6寸浆

            KV2200-2800左右的5寸浆

            KV3000-3500左右的4530浆

2S电池下；KV1300-1500左右用9050浆

            KV1800左右用7060浆

            KV2500-3000左右用5X3浆

            KV3200-4000左右用4530浆

浆的大小与电流关系：因为浆相对越大在产生推力的效率就越高

例如：同用3S电池，电流同样是10安（假设）

用KV1000配1060浆与 KV3000配4530浆它们分别产生的推力前者是后者的两倍。

只看该作者 · 2019-5-14 18:58

机型与电机、浆的关系：

一般来说：浆越大对飞机所产生的反扭力越大，所以浆的大小与机的翼展大小有着一定关系，但浆与电机也有着上面所讲的关系。

例如用1060浆，机的翼展就得要在80CM以上为合适，不然的话机就容易造成反扭；又如用8*6的浆翼展就得在60以上。

再比如：用4530浆做翼展1米以上机行否？是可以，但飞机飞起来会很耗电，因为翼展大飞行的阻力大，而4530浆产生的推力相对情况下小（上面浆的大小与电流关系有讲到）。