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四旋翼无人机结构原理大揭秘

无人机,一个21世纪的“精灵”。

四旋翼飞行器是《时代》杂志2014年度评选的十大科技产品之一,是汪峰“头条”事件里的牵线红娘。

现在的四旋翼飞行器看起来风光无限,但它也曾消沉失意。过去的四旋翼飞行器身轻体弱、走不了长路、负不起重物。相比走“硬汉”风的飞行器家族,四旋翼飞行器一度饱受白眼。

从认清自己开始,四旋翼飞行器的命运出现了转机。

认清自己

为了认清自己,四旋翼飞行器配备了两只功能强大的眼睛:一只能看清自己的“位置”,知道自己是在黄山还是泰山,这就是自带的GPS定位系统;另一只能看清自己的“姿态”,就是知道自己是“坐着”、“躺着”,还是“倒立”,这就是陀螺仪。这两只眼睛还要和“加速度计”配合使用,才能更准确地知道自己的姿态和位置,以及姿态和位置的改变情况。

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图1.四旋翼“心里的双眼”:GPS和陀螺仪

所谓GPS定位系统即全球定位系统(GlobalPositioningSystem),是一种以全球24颗定位人造卫星为基础,向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的无线电导航定位系统。它由三部分构成:一是地面控制部分,由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成;二是空间部分,由24颗卫星组成,分布在6个轨道平面;三是用户装置部分,由GPS接收机和卫星天线组成。四旋翼飞行器身上安装的就是用户装置部分。

陀螺仪又叫角速度计,就是通过一个不断旋转的陀螺记录“姿态”。它的原理跟小时候玩的抽陀螺一样,陀螺一旦转起来,即使地面是斜的,陀螺还是会保持垂直旋转,具有“定轴性”,我们可以假定这个姿势是“坐姿”。当四旋翼飞行器“躺下”时,便与坐姿产生了一个夹角,但陀螺仪依然会沿着“躺姿”的轴继续高速旋转,具有“进动性”。利用安装在陀螺仪上的传感器就可以知道这个夹角的大小和方向,从而确定“姿态”的变化。

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图2.陀螺仪

光有GPS和陀螺仪还不能很好地知道自己准确的“姿态”和“位置”及动态变化的情况,还需要有加速度计的配合。

设计者在加速度计的内部配置了两个电容的连接点,并且在中间放置一个可导电、可晃动的物质,透过监测该物质移动引起的电容改变,得到四旋翼飞行器位置变化的剧烈程度。

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图3.加速度计

认识他人

认清了自己之后,四旋翼飞行器还需要认识他人。一般的四旋翼飞行器会配备一架高级相机,这台高级相机,其实和咱们日常使用的相机是一个原理,只是多了一个高级的视觉处理系统,犹如人的视神经系统一样,可以感知周边环境。“相机”分辨率越高四旋翼飞行器就“看”得越清楚。

四旋翼飞行器还师从蝙蝠,仿照超声波测距,配备红外线发射装置,通过发射出去的波和反射回来的波之间的时间差,测出目标距离自己有多远。

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图4.四旋翼飞行器的高级相机与红外线测距装置
飞行姿态

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图5.四旋翼飞行器的结构

四旋翼飞行器拥有对称分布在身体的前后左右的四只“翅膀”,它们在同一高度的平面上,大小完全相同,由四个对称分布在“翅膀”支架端的电机提供动力,支架中间安放着GPS、陀螺仪、加速度计、感应器、视觉感应系统和红外线测距装置等。

拥有如此简单的构架,四旋翼飞行器又是如何飞翔的呢?

四旋翼飞行器的四只“翅膀”不停的转动会提供升力,转速的改变可以改变升力的大小,从而改变四旋翼飞行器的位置和姿态。另外,相邻的翅膀要做相反方向的旋转,这样才能产生平衡的力矩防止四旋翼在空中“打转”。

下面就让我们看看四旋翼飞行器的飞行绝技。

悬停:四个电机的输出功率增加,就带动着四只翅膀的转速提升,产生向上的升力,当这个升力超出了四旋翼飞行器自身重力时,四旋翼飞行器便起飞了。所谓在空中悬停,就需要四只翅膀转速带来的升力和地球施加的重力大小相同,方向相反,也就是“静若处子”啦。

前进:做到悬停之后,四旋翼飞行器又如何前进呢?这需要力的方向发生变化,一定要有使其向前的力,如图7所示,在悬停的基础上增加后面翅膀的转速使得升力增大,减小前面翅膀的转速使得升力减小,如此四旋翼飞行器的身体便会产生倾斜,翅膀的升力差便会产生向前的分量,四旋翼飞行器便可以向前飞行了。

滚转:如果改变左右两只翅膀的转速,即改变力矩,四旋翼飞行器就能在空中实现滚转。当增大左边减小右边电机的转速或者减小左边增大右边电机的转速时,机体就会倾斜,如此左右不平衡的升力会使得力矩增大,这样飞行器就可以在空中滚转了。

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图6.四旋翼飞行器的三种飞行动作(从左至右为悬停、前进、滚转)

结语

如今的四旋翼飞行器可以是居民楼前的送货员,是靓丽风景的空中摄影师,是救灾抢险的一线人员。明天它也可能会成为侦探界的福尔摩斯,还没准是间谍界中的汤姆·克鲁斯。

不管怎样,四旋翼飞行器都将是那个自由的“精灵”。

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图7.四旋翼飞行器“精灵”

(来源:余姚科晋)

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