多旋翼无人机的飞行控制(二)

三、多旋翼无人机飞行安全措施
1、安装感知与避让系统：确保与其他航空器的安全 间隔，防止碰撞。 2、加装GPS模块：利用GPS和飞控程序设置禁飞区， 防止进入敏感区域，如机场、军事禁区等。 3、设置飞行高度限制：在飞行程序中设置高度限制， 防止进入限制高度的禁飞区。 4、一键功能：在飞行程序中设置一键起飞、降落、 自动避障和自动返航功能。 5、倾斜限制功能：多旋翼无人机飞行倾角超过300时， 旋翼升力会骤降，导致无人机加速下坠，从而发生坠机事 故。为防止这种情况，应设计相应的飞控程序，使自动控 制器具备限制飞行器பைடு நூலகம்生过分倾斜的功能。
一、多旋翼无人机的飞行控制
6、侧向运动：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。
二、多旋翼无人机飞行控制的特点
四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有 四个输入力同时却有六个状态输出（即6个飞行姿态）， 所以它又是一个4输入6输出的欠驱动系统。其与固定翼 飞机、单旋翼直升机反恐特点比较如下： 1、固定翼飞机 通过改变机翼空气动力学结构来实现姿态控制，是 自稳系统，其姿态控制是完整的驱动系统，可以随时由任 何姿态（失速除外）调整到其他姿态。 2、单旋翼直升机 通过改变旋翼空气动力学结构来实现姿态控制，是 不稳定系统，但它是完整的驱动系统，机体可以自由调整 姿态，没有失速问题，姿态翻了也可以控制回到正常姿态。
一、多旋翼无人机的飞行控制
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。
一、多旋翼无人机的飞行控制
4、偏航运动：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。
一、多旋翼无人机的飞行控制
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。（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。）
多旋翼无人机的飞行控制
一、多旋翼无人机的飞行控制
多旋翼无人机的螺旋桨也会产生这样的反扭矩，使无 人机疯狂自旋。为克服旋翼旋转时的反作用力矩问题，多 旋翼无人机让多个旋翼按照不同方式转动，来克服彼此之 间的反扭矩，使总扭矩为0。
在四旋翼无人机中，相邻的两个 螺旋桨旋转方向是相反的。如右图所 示，三角形红箭头表示飞机的机头朝 向，螺旋桨M1、M3的旋转方向为逆 时针，螺旋桨M2、M4的旋转方向为 顺时针。当飞行时，M2、M4所产生 的逆时针反作用力（反扭矩）和M1、 M3产生的顺时针反作用力（反扭矩） 相抵消，飞机机身就可以保持稳定， 不会像“大雄“那样“疯狂”自转了。
一、多旋翼无人机的飞行控制
2、俯仰运动：在右图中，电机 1的转速上升，电机 3 的转速下降（改变量大小应相等），电机 2、电机 4 的转 速保持不变。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降， 产生的不平衡力矩使 机身绕 y 轴旋转，同 理，当电机 1 的转速 下降，电机 3的转速 上升，机身便绕y轴向 另一个方向旋转，实 现飞行器的俯仰运动。
作
业
1、4旋翼无人机如何克服反扭矩问题？ 2、4旋翼无人机是几自由度？有几个输 入力和几种飞行姿态？ 3、 4旋翼无人机如何实现飞行姿态的？ 4、多旋翼无人机必须采取哪些飞行安全 措施？
一、多旋翼无人机的飞行控制
不仅如此，多轴飞机的前后左右或是旋转飞行的也 都是靠多个螺旋桨的转速控制来实现的。四旋翼无人机就 是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变 化，从而控制飞行器的姿态和位置。
一、多旋翼无人机的飞行控制
1、垂直运动：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。
二、多旋翼无人机飞行控制的特点
3、多旋翼无人机 通过改变各旋翼升力大小来实现姿态控制，需要进行 精准同步协调，是不稳定系统，其中4旋翼是欠驱动系统， 很难控制好，飞行器翻过来后基本没有办法控制回来，就 坠机了。 4、旋翼旋翼无人机非线性、 欠驱动系统，人手很难操控，只 能用自动控制器来控制飞行姿态。 如右图示，四个电机对称的安装 在飞行器的支架端，支架中间空 间安放飞行控制计算机和外部设 备，通过飞控计算机来计算、控 制其进行飞行。