第2章多旋翼飛行器的飛行原理和組成第2章多旋翼飛行器的飛行原理和組成2.1多旋翼飛行器的飛行原理2.2多旋翼飛行器的基本組成2.1多旋翼飛行器的飛行原理2.1.1多旋翼飛行器坐標系2.1.2四旋翼飛行器的工作原理2.1.1多旋翼飛行器坐標系1．地理坐標系

地理坐標系E用于研究多旋翼飛行器相對于地面的運動狀態(tài)，確定機體的空間位置坐標，如圖2-1所示。

地理坐標系的原點O為多旋翼飛行器的起飛點，OX軸指向地球東向，OY軸指向地球北向，OZ軸由右手準則確定，垂直于地平面向上，飛行器的位置(X,Y,Z)即為飛行器重心相對于地理坐標系的坐標值。圖2-1地理坐標系2.1.1多旋翼飛行器坐標系2．機體坐標系

機體坐標系B固定在機體上，其原點與多旋翼飛行器的重心重合。根據(jù)機體坐標系與機臂的相對方向不同，飛行器的飛行模式一般可分為十字模式和X字模式。如圖2-2、圖2-3所示。圖2-2十字模式

圖2-3X模式2.1.1多旋翼飛行器坐標系2．機體坐標系

在十字模式中，機體坐標系原點o位于機臂交叉中心，x軸和y軸與機臂重合，z軸垂直于機體平面指向飛行上方，如圖2-4(a)所示；將十字模式機體坐標系繞z軸旋轉(zhuǎn)45o，即得到X字模式機體坐標系，如圖2-4(b)所示。圖2-4機體坐標系2.1.2四旋翼飛行器的工作原理

四旋翼飛行器的運動狀態(tài)主要通過機體坐標系oxyz中x軸、y軸、z軸上的平動和繞x軸、y軸、z軸的轉(zhuǎn)動來描述。其中，繞機體坐標系oxyz中x軸、y軸、z軸的轉(zhuǎn)動分別稱為橫滾運動、俯仰運動和偏航運動，轉(zhuǎn)動角分別稱為橫滾角、俯仰角和偏航角；沿機體坐標系oxyz中x軸、y軸、z軸方向上的平動分別稱為前后運動、左右運動和升降運動。

以十字模式為例，說明四旋翼飛行器的飛行原理。假設在各個運動狀態(tài)中，電動機1和電動機3作逆時針旋轉(zhuǎn)，電動機2和電動機4作順時針旋轉(zhuǎn)，規(guī)定沿x軸正方向運動稱為向前運動，箭頭在旋翼的運動平面上方表示此電動機轉(zhuǎn)速提高，在下方表示此電動機轉(zhuǎn)速下降。2.1.2四旋翼飛行器的工作原理1．垂直運動

垂直運動，即升降控制。十字模式下四旋翼飛行器垂直運動示意圖如圖2-5所示。

在圖2-5中，因有兩對電動機轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對機身的反扭矩，當同時增加四個電動機的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當總拉力足以克服整機的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時減小四個電動機的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實現(xiàn)了沿Z軸的垂直運動。當外界擾動量為零時，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態(tài)。圖2-5垂直運動示意圖2.1.2四旋翼飛行器的工作原理2．俯仰運動

在圖2-6中，電動機1的轉(zhuǎn)速上升，電動機3的轉(zhuǎn)速下降，電動機2、電動機4的轉(zhuǎn)速保持不變。為了不因為旋翼轉(zhuǎn)速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變，旋翼1與旋翼3轉(zhuǎn)速改變量的大小應相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機身繞Y軸旋轉(zhuǎn)，同理，當電動機1的轉(zhuǎn)速下降，電動機3的轉(zhuǎn)速上升，機身便繞Y軸向另一個方向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)飛行器的俯仰運動。圖2-6俯仰運動示意圖2.1.2四旋翼飛行器的工作原理3．橫滾運動

與圖2-6的原理相同，在圖2-7中，改變電動機2和電動機4的轉(zhuǎn)速，保持電動機1和電動機3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機身繞X軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實現(xiàn)飛行器的橫滾運動。圖2-7橫滾運動示意圖2.1.2四旋翼飛行器的工作原理4．偏航運動

四旋翼飛行器偏航運動可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來實現(xiàn)。在圖2-8中，當電動機1和電動機3的轉(zhuǎn)速上升，電動機2和電動機4的轉(zhuǎn)速下降時，旋翼1和旋翼3對機身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在富余反扭矩的作用下繞Z軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)飛行器的偏航運動，轉(zhuǎn)向與電動機1、電動機3的轉(zhuǎn)向相反。圖2-8偏航運動示意圖2.1.2四旋翼飛行器的工作原理5．前后運動

要想實現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運動，必須在水平面內(nèi)對飛行器施加一定的力。在圖2-9中，增加電動機3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應減小電動機1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時保持其它兩個電動機轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。

按圖2-6的理論，飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實現(xiàn)飛行器的前飛運動。向后飛行與向前飛行正好相反。圖2-9前后運動示意圖2.1.2四旋翼飛行器的工作原理6．左右運動

在圖2-10中，增加電動機4轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應減小電動機2轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時保持其它兩個電動機轉(zhuǎn)速不變，可以實現(xiàn)飛行器的左飛運動。向右飛行與向左飛行正好相反。圖2-10左右運動示意圖2.1.2四旋翼飛行器的工作原理飛行方向1號旋翼2號旋翼3號旋翼4號旋翼上升等量增大等量增大等量增大等量增大下降等量減小等量減小等量減小等量減小前飛等量減小不變等量增大不變后飛等量增大不變等量減小不變左飛不變等量減小不變等量增大右飛不變等量增大不變等量減小左旋轉(zhuǎn)等量減小等量增大等量減小等量增大右旋轉(zhuǎn)等量增大等量減小等量增大等量減小表2-1四旋翼飛行器四軸的運動與四個旋翼的關(guān)系2.2多旋翼飛行器的基本組成2.2.1機架2.2.2電動機2.2.3電子調(diào)速器2.2.4螺旋槳2.2.5電池2.2.6遙控系統(tǒng)2.2.7飛行控制系統(tǒng)2.2.1機架

機架是指多旋翼飛行器的機身架，是整個飛行系統(tǒng)的飛行載體，所有的部件和設備都要安裝在機架上面。機架下方安裝有起落架，用于支撐全機重量，避免螺旋槳離地太近而發(fā)生觸碰，以及消耗和吸收多旋翼飛行器在著陸時的撞擊能量。圖2-11機架2.2.1機架機架的主要作用如下：（1）提供安裝接口。（2）提供整體的穩(wěn)定和堅固的平臺。（3）安裝起落架等緩沖裝備。（4）提供相應的保護裝置。

圖2-12所示為微型四旋翼飛行器。由于微型四旋翼飛行器對重量的要求較高，機架通常可以直接用自身的PCB電路板充當，或者是用碳纖維、工程塑料等比較輕且比較堅固的材料加上比較小的PCB電路板構(gòu)成。圖2-12微型四旋翼飛行器2.2.2電動機

電動機是多旋翼飛行器的主要動力來源，同時也跟飛行器的飛行姿態(tài)密切相關(guān)。電動機的轉(zhuǎn)速快慢決定了飛行器可以承載的重量，同時，其轉(zhuǎn)速改變的快慢可以影響飛行器姿態(tài)的變換。在整個飛行系統(tǒng)中，電動機起到提供動力的作用。

多旋翼飛行器主要使用直流無刷電動機。圖2-13電動機2.2.3電子調(diào)速器

電子調(diào)速器（電調(diào)），英文ElectronicSpeedController，簡稱ESC。在整個飛行系統(tǒng)中，電子調(diào)速器主要提供驅(qū)動電動機的指令，來控制電動機，完成規(guī)定的速度和動作等。圖2-14電子調(diào)速器2.2.4螺旋槳

在多旋翼飛行器的動力系統(tǒng)中，螺旋槳是非常重要的部件之一。螺旋槳通過自身旋轉(zhuǎn)，將電動機轉(zhuǎn)動功率轉(zhuǎn)化為飛行器上升的動力。在整個飛行系統(tǒng)中，螺旋槳主要起到提供飛行所需的動能。

螺旋槳一般采用碳纖維、尼龍塑料或木頭作為原材料。圖2-15螺旋槳2.2.5電池

電池是將化學能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。在整個飛行系統(tǒng)中，電池作為能源儲備，為整個動力系統(tǒng)和其他電子設備提供電力來源。

目前在多旋翼飛行器上，一般采用普通鋰聚合物電池或者智能鋰電池等。圖2-16電池2.2.6遙控系統(tǒng)

遙控系統(tǒng)由發(fā)射機和接收機組成，是整個飛行系統(tǒng)的無線電遙控設備（英文RadioControl簡稱RC）。

無線電遙控設備是多旋翼飛行器系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，它可以在需要的情況下通過手動的方式來控制飛行器。一個無線電遙控系統(tǒng)包含一個發(fā)射機（就是手里拿著的遙控器)，發(fā)射機上有操縱桿和按鍵，通過它們來控制飛行器。圖2-17遙控系統(tǒng)2.2.7飛行控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)可視為多旋翼飛行器的大腦，它處理所有采集到的信息并發(fā)送相關(guān)的指令給電動機和控制舵面，以執(zhí)行特定的動作。