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四轴飞行器的发展之路,四轴飞行器的简单制作和原理,你了...

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常玉|  楼主 | 2021-7-6 18:40 | 显示全部楼层 |阅读模式

四轴飞行器轻轻地在天空飞行,尽其所能地控制好每个微小的动作,展现着自己精致的舞姿。这样的描述应该是恰如其分的吧?但是实际上,四轴飞行器与其说是与空气偕舞,倒不如说是它和空气进行搏斗。时而飞行器胜出,时而空气获胜。四轴飞行器之美妙并不在于在天空的优雅曲线,也不是翅膀扇动时细微的形态。当然,它没有翅膀。实际上,现代多旋翼的许多精巧设计是翅膀所不具备的。


没有控制飞行的操纵面和伺服器,没有复杂的总距枢纽,没有失速、计时转弯、等待航线,将这些组件拆下后仅剩精干的核心部分,只有4个助力飞行的组件和控制系统。接着就要接近奥妙之处了。大部分观点认为,多旋翼飞行器真正的美妙在它的内部。一台基于ArduCopter(译者注:一款基于Arduino开源的四轴飞行器)的四轴飞行器有4个主要输入,还有4个电机输出,而输入来自于两个操纵杆。


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四轴飞行器


为了由4个操纵输入得到的输出,需要将近300个参数。起初,这么多的参数如此的复杂以至于让人误以为无法实现,实际情况与此相反。解决之道便是工程学,因为大部分参数是不需要的,四轴飞行器正是一个学习工程原理的绝佳平台。用于四轴飞行器控制系统的算法是基础的、重要的,同时也是精妙的。你很快就会发现,学习和应用这些算法将会给你带来乐趣,但是这些算法已经面世数十年之久。


无论什么算法,并不代表制造现代四轴飞行器的突破口。但毋庸置疑的是:这些算法曾经有突破性成果。从孩童时期,我爱好无线电控制的飞行器,而且玩了很多年,总是能从中得到极大的乐趣。遥控直升机称霸了飞行器世界很多年,但是价格昂贵,而且极难控制。这些不过是玩具直升机而已,仅仅看它们飞行的姿态便明白它们属于玩具的世界。而军方研制的巡航导弹,花费数百万美元。


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四轴飞行器


后来,有一天,一位朋友带着四轴飞行器来到办公室。飞行器置于手中俨然就像待航的飞机,完全不像是玩具,真正的突破是它只需20美元。于是我也买了一台,只不过更大一些罢了。我从头开始组装,修改飞行控制的源代码。在多次崩溃和思考之后,我才自信地说电机、电源还有控制系统都发生了改变。四轴飞行器与四轴飞行器,在一些场合中,四轴飞行器只用来表示军事系统或是那些受控于预置程序的车辆。


目前,这是能够体现我用意的最简短、精炼的词汇,我用来说明任何可以无需人类在近距离上操控的飞行物。军方通常称作无人航空载具(UAVs),FAA则称为无人飞机系统,但是我已经用了够多的首字母缩略词,而且没有哪个单音节词像四轴飞行器这样能够表达出最简单的含义。“多旋翼”脱离固定翼飞机和传统直升机,这一术语可以形容我们所需要的东西。“四轴飞行器”形容一个更有限制的概念—只有4个螺旋桨,不是6个,更不是8个—但是始终包含在我们的项目里面。


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四轴飞行器


我们将会用这些词汇来区分四轴飞行器,在需要的时候,从固定翼到六转子飞机,不过有时候只是种类不同而已。电机,这是我在办公室里见过的第一个小型四轴飞行器,就像其他的微型四轴飞行器一样,用的是微型电机。这种电机初次看起来和我小时候买的十多个装一整袋的小型的直流电机一样,不过小型的直流电机远没有足够的功率让四轴飞行器飞起来。而功率就是四轴飞行器的电机同我所使用过的那些小玩意儿最主要的差别。


四轴飞行器用的是稀土永磁材料,这与今天大多数的电机没什么区别,当然这不是最主要的差异。“无芯”电机是为飞行特殊优化过的。和几乎所有电磁铁一样,微型电机里的绕组通常都是绕着一个铁核芯,这样可以使磁体更高效—电效率。然而,事实证明,在飞行上,电机的质量是远远重于能量效率的,因此,有人提出了去除重核心,于是,这种小型四轴飞行器电机诞生了。


无刷电机,一般用在更小的四轴飞行器上,以便于和用在更大的多旋翼四轴飞行器上的一系列电机相区别。而多旋翼上的电机没有电刷。大多数电机上,电刷装配在压簧上控制着绕组旋转的方向。而无刷电机首次使用在软盘驱动器上,电子控制代替接触控制绕组,以此制造出更精简、更持久的电机。装配在四轴飞行器上的无刷电机是以控制系统的复杂性才换得机械的简易性。


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四轴飞行器


每个电机都有它自己的微处理器,一直监控未使用的线圈上的反向电流以确定位置,同时调节输入到其他线圈的电流,在中央飞行控制器的指挥下控制速度。电池,对于四轴飞行器来说,动力装置是最重要的技术之一,这点是毫无疑问的。对于航空,也是同样的。从第一台由威尔伯设计、奥维尔制造的活塞引擎,到惠特尔的第一台喷气发动机引擎,再到查克·叶格的火箭。


每次,新的燃料来源都会引发动力装置的革新。对于现代的电动飞行器—这也意味着大多数的四轴飞行器,尽管包括少量实验性质的载人电动飞行器—动力来源就是电池。现在四轴飞行器使用的最普遍的电池是锂聚合物电池。锂聚合物电池有各式各样的大小和形状,从邮票那样薄到能够在家庭或汽车上使用的类似小箱子那样的尺寸。


它们的容量和性能随使用环境各不相同,相较于镍氢电池(NIMH)对于使用条件更为苛刻。锂聚合物电池既不能过充也不能过放,如果处理不当容易对电池造成损坏,而且不能靠近火源,电池上的警示标识会提醒我们小心使用。控制系统,控制系统连接着电池模块和电机。


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四轴飞行器


即使是最小型的四轴飞行器也都具有以下几个子系统,即无线电接收器、陀螺仪、加速度计,当然还有连接这些组件的微处理器。因为每个组件都只是电路板上的一小块黑色的芯片,看起来有点像过时的消费级电子元器件,因此人们也很少留意到这些组件的强大之处,正是这些不起眼的小东西才使得现代四轴飞行器控制系统得心应手。在谈论新的特性之前,有必要说明,控制系统中的一些组件可以追溯到几年甚至是几十年前。


使用到的微处理器倒是很新的东西,不过,几年前的微控制器也能顺利地完成工作。软件方面使用的算法,包括卡尔曼滤波和PID控制器,都在微处理器面世前使用了很多年。在了解过去工程师们的伟大贡献之后,四轴飞行器控制系统的一些特性展示了突破性的成果。电子元件在物理尺寸和耗电量的大缩水使更轻便的四轴飞行器陆续面世。现代设计及工业制造能力让这些小型芯片集成到功能化的电路板,而这些电路板能以更低廉的价格大批量地生产出来。


飞行控制器,包含以上所提到的所有子系统,都能够集成到一块电路板上,而且很容易塞到衬衫的口袋里。电路板上至少有一块芯片代表了飞行器领域的重大突破。陀螺仪,早在1914年6月,劳伦斯·斯佩利向法国民众展示了安装在柯蒂斯C-2双翼飞机上的陀螺稳定装置,此后陀螺仪就开始用在稳定飞行器飞行的方面。如前面提到的,无线电控制的直升机以难以飞行著称,但是有人开创性地使用陀螺仪稳定其飞行。第一个模型用的是旋转圆盘,就像是小孩子的玩具,非常大而且重,成为庞大的直升机模型。


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四轴飞行器


今天一个简单的轴稳定器的价格足以买下一部整个中型的四轴飞行器。现在我们可以将3个陀螺仪和3个加速度计集成到一块芯片上,而且可以用较低的成本实现大批量生产。它带给我们的不仅仅是突破性成果,更是惊喜不断。像四轴飞行器这种消费级产品在中国能以更低的成本生产,这已经不是什么新鲜事了。让新兴的四轴飞行器群体所兴奋的是,中国制造带来了一系列四轴飞行器组件,能够让我们单个或成组甚至成套地购买,方便我们自行设计。


得益于这些创新,我们才得以拉开四轴飞行器革命的序幕。正在此时,FAA公布了一些针对商业四轴飞行器使用的新规定,许多活动,比如快递运输,都不允许四轴飞行器参与其中。四轴飞行器也在提高自身的安全性和耐用性,以便于和其他的飞行器、四轴飞行器共享空域飞行的权利。第一届国际性的四轴飞行器比赛举办得非常成功,与此同时,各地的四轴飞行器纷纷出现在教室课堂上,让学生们兴奋之余,顺便向他们传授工程学知识。


我们会使用熟悉的工具—Arduino、电机和电池—并且组装后让它飞起来。在这个环节,将学习到一些基础的工程学知识,可用于制作从机器人到咖啡壶的任何东西。待到项目完成并且调试结束,当你沉浸数小时学到了控制四轴飞行器的技术,将实现人类最古老的梦想:飞行。实践出真知,因为通过动手实现并明白了其中的奥妙。


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甘木| | 2021-8-28 10:47 | 显示全部楼层
这么多的参数如此的复杂以至于让人误以为无法实现,实际情况与此相反。解决之道便是工程学,因为大部分参数是不需要的,四轴飞行器正是一个学习工程原理的绝佳平台

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