STM32實現水下四旋翼(一)飛行原理

2021-10-19 08:50:14 字數 2589 閱讀 3456

飛行是人類孜孜以求的夢想。從莊子的"御風而行"、"扶搖而上"到武俠神鬼**中的輕功、御劍飛行,各種文字、圖騰都滿含飛行的樸素理想,據說每個大男孩心中都有乙個飛天夢。對於乙個理工科的大男孩來說,製造乙個飛機恐怕是更有**力吧!網路時代知識共享,開源社群的盛行讓這不再是難事,事實上你想學,大把的資源可供利用。當你開啟一扇門,展現在你眼前的是乙個世界、乙個全新的世界,學習不再枯燥痛苦,反而變得那麼的生動、有趣。我希望看到我的文章的小夥伴,都能放下對於理論、技術的畏懼,隨著興趣走、隨著初心走。我們一起學習、一起進步~

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stm32實現水下四旋翼(五)自定義航行資料

stm32實現水下四旋翼(六)感測任務2——姿態解算**篇

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stm32實現水下四旋翼(八)感測任務4——電池電量檢測

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stm32實現水下四旋翼(十三)數傳任務1(基於labwindowscvi)——通訊協議

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stm32實現水下四旋翼(十五)數傳任務3(基於labwindowscvi)——上行資料

常見的小型飛行器主要分為三類,如圖所示

固定翼飛行器:固定翼飛機由推力系統產生前向的空速,當飛機高速前進時,由於氣流作用在翼面上產生公升力從而平衡飛行器的重力。固定翼依靠水平舵面、垂直舵面(副翼、水平尾翼、垂直尾翼等)的掠角調節滾轉運動、俯仰運動以及偏航運動,航向通常是滾轉和俯仰運動組合來調節。固定翼飛行器的優點是結構簡單、飛行距離更長、耗能更少,缺點是起飛和降落時需要跑道或彈射器,不能垂直起降

單旋翼***:***是一種公升力由旋翼直接提供的旋翼飛行器。單旋翼***有四個控制輸入,分別是週期變距杆、總距操縱桿、腳蹬和油門,其中總距操縱桿控制旋翼的迎角(或攻角)。為了解決單個旋翼旋轉時對***造成的自旋效應,通常在尾部增加水平槳來抵消自旋,在轉彎時也可以通過尾槳增加扭矩。單旋翼***的優點是垂直起降,缺點是續航時間短,機械結構複雜、維護困難、飛行速度慢。

多旋翼飛行器:多旋翼飛行器可以看成一類有三個或者更多螺旋槳的***,同時具有垂直起降的能力,最常見的是四旋翼。四旋翼通過控制旋翼的轉速從而實現公升力的快速調節,多旋翼結構具有對稱性,所以螺旋槳之間的反扭矩可以相互抵消。多旋翼與四旋翼的區別只在於拉力和力矩分配給每個螺旋槳的方法不同,本質上是一樣的。多旋翼的優點是操縱簡單、可靠性高、維護成本低、可垂直起降,缺點是承載和續航時間差

目前多旋翼飛行器非常流行,演算法相對成熟,可以快速構建起軟體和硬體方案。本系列文章就基於四旋翼的原理設計製作乙個四旋翼水下航行器。

如圖的x型布局,按照順時針的順序將四個旋翼編號為1、2、3、4,虛線表示旋翼的旋轉方向。後面我統一用順時針旋轉(cw)與逆時針旋轉(ccw)表述了(很多地方用正槳或者反槳描述螺旋槳與旋轉方向,我一直沒搞懂哪個是正哪個是反,暈)。當旋翼旋轉時,會對機身產生乙個與旋轉方向相反的反扭力。由於多旋翼正反槳是對稱安裝,反扭力可以相互抵消。在理想情況下,假設當前四個旋翼轉速相同,拉力相等,總拉力剛好抵消重力,四旋翼處於懸浮狀態。

上下運動: 同時同量增加四個螺旋槳的轉速,則螺旋槳的總拉力增大,但是總力矩仍然是零。當拉力大於重力時,四旋翼會加速上公升,當同時同量減小四個螺旋槳的轉速,總拉力小於重力時,四旋翼會下降。

前後運動:同量增加2號和3號的轉速,同時同量減小1號和4號的轉速,則後面的拉力大於前面的拉力,四旋翼向前俯仰(低頭),總拉力產生向前的分量。與此同時,拉力的垂直分量會減小,將不再等於多旋翼的重力,因此需要同量增加四個螺旋槳的轉速來補償重力,從而實現多旋翼水平向前飛行運動。同理,可以實現向後水平飛行。

左右運動:同量減小1號和2號的轉速,同時同量增加3號和4號的轉速,機身將向右滾轉,然後總拉力產生向右的分量。與此同時,拉力的垂直分量會減小,將不再等於多旋翼的重力,因此需要同量增加四個螺旋槳的轉速來補償重力,從而實現多旋翼水平向右飛行運動。同理,可以實現向左水平飛行。

偏航運動:同量增加1號和3號的轉速,同時同量減小2號和4號的轉速,此時順時針的扭矩會增加,逆時針的扭矩會減小,總扭矩為順時針,四旋翼將會順時針旋轉。此時總拉力沒有改變,不會產生上下運動。同理,可以實現逆時針水平旋轉。

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