(四轴)无人机工作原理及组成

目录

无人机如何在空中飞行？哪种无人机更受欢迎？

无人机或无人机简介

 无人机或无人机的主题

无人机工作原理及流线型

基于螺旋桨数量的无人机类型

四轴飞行器工作原理

四轴飞行器动力学

作用在无人机上的力和力矩

 作用于无人机的主要力量

四轴飞行器的运动学

 悬停运动

  上升或下降运动（油门）

 偏航运动

 俯仰和横滚运动

 刚体动力学

 无人机的主要部件

无人机的应用与发展

无人机空气动力学 CFD 建模的范围 

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无人机如何在空中飞行？哪种无人机更受欢迎？

 

无人机或无人机简介

• 任何没有人类飞行员操作的飞机或飞行机器都称为无人驾驶飞行器（UAV）。它可以由人类操作员使用机载计算机和机器人自主或远程引导。
• 在监视或军事行动期间，无人机可以成为无人机系统 (UAS) 的一部分，无人机分别用于空中和水上

 无人机或无人机的主题

对无人机的了解和发展取决于许多主题。针对特定应用的无人机设计包括许多因素，例如螺旋桨的空气动力学形状、无人机部件的强度和重量、电动机、电动速度控制器、无线电发射器或接收器，以及用于监控和数据分析的手机或计算机上的软件界面。

• 流体动力学或空气动力学：
  • 流体动力学在决定作用在无人机机身上的力方面起着重要作用
  • 螺旋桨和无人机的形状、大小和速度取决于螺旋桨或叶片的空气动力学
  • 计算流体动力学 (CFD) 建模有助于无人机上气流的流动动力学
  • 涡轮机械的 CFD 建模）对于确定螺旋桨产生的推力量至关重要
  • 无人机翼型叶片的风洞测试对于测试CFD结果仍然很重要
• 机械设计
  • 刚体动力学研究作用在无人机上的运动和力
  • 材料强度
  • 无人机选用重量轻、刚性强的材料
• 电子和电气元件：
  • 需要有刷和无刷的电动机来驱动螺旋桨
  • 电子速度控制器
  • 飞行控制器单元和计算机处理器
• 无线电通信：无线电信号的发射器和接收器
• 电池：重量轻、功率大的电池很重要
• 基于软件的界面：使用手机或电脑进行数据收集和分析

无人机工作原理及流线型

• 流体动力学学科在飞机和无人机的设计和开发中发挥着重要作用。该主题包括飞机空气动力学的工作原理。
• 需要足够的向上力来克服重力提升车辆，这称为提升。
• 为使车辆或车身运动而产生的力称为推力。可以使用流体流动的运动学定律来研究这些力

• 当空气流过机翼和压力时，粘性和阻力作用在轮廓上
• 力与入口处的空气速度成正比

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• 翼型或螺旋桨横截面周围的流动模式如下所示。螺旋桨底部的高流体压力和螺旋桨顶部的低压力会产生向上的力，称为升力。这股力量负责提升飞机或无人机的重量。
• 升力的大小取决于机翼或螺旋桨的倾斜角度。

• 基于流体流动中的能量守恒原理（伯努利原理），流体中各种形式的能量之和沿流线是恒定的
• 当空气流过机翼或机翼时，其速度在顶部增加。但是空气的压力会降低。
• 相反，叶片底部的空气速度降低，压力增加。翼型上的下一个压力差导致向上的力，称为升力
• 机翼上流动的 CFD 建模在许多车辆和航空航天工业中一直很重要

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基于螺旋桨数量的无人机类型

为无人机提供了许多螺旋桨。更多的螺旋桨提高了无人机的稳定性和承载能力，但此类无人机需要更多的电池电量来驱动更多的电机以获得高功率。四轴飞行器是一种更受欢迎的无人机。

• 双旋翼（2 个螺旋桨）
• 三轴飞行器（3 个螺旋桨）
• 四轴飞行器（4 个螺旋桨）
• 六轴飞行器（6 个螺旋桨）
• 八旋翼（8 螺旋桨）

四轴飞行器工作原理

• 四轴飞行器在框架的四个角有四个螺旋桨
• 对于每个螺旋桨，速度和旋转方向独立控制，以实现无人机的平衡和运动
• 在传统的四旋翼中，所有四个转子彼此等距放置
• 为了保持系统的平衡，一对转子顺时针方向旋转，另一对逆时针方向旋转
• 要向上移动（悬停），所有转子都应高速运行。通过改变旋翼的速度，无人机可以前后左右移动

四轴飞行器动力学

• 无人机的运动根据四个螺旋桨之间的关系运动分为四种类型：1）油门，2）俯仰，3）滚动，4）打哈欠

• 油门/悬停：无人机的上下运动称为油门
  • 如果四个螺旋桨都以正常速度运行，那么无人机将向下移动
  • 如果所有四个螺旋桨都以更高的速度运行，那么无人机将向上移动。这被称为无人机悬停
• 俯仰：无人机绕横轴（向前或向后）的运动称为俯仰运动
  • 如果两个后螺旋桨高速运行，那么无人机将向前移动
  • 如果两个前置螺旋桨高速运行，那么无人机将向后移动
• 滚动：无人机绕纵轴的运动称为滚动运动
  • 如果两个右螺旋桨高速运行，那么无人机将向左移动
  • 如果两个左螺旋桨高速运转，那么无人机将朝着正确的方向移动
• 打哈欠：无人机头部围绕垂直轴（左或右）的旋转称为打哈欠运动
  • 如果右对角线的两个螺旋桨高速运行，则无人机将逆时针旋转
  • 如果左对角线的两个螺旋桨高速运行，那么无人机将顺时针方向旋转

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作用在无人机上的力和力矩

 作用于无人机的主要力量

当无人机在空中移动时，会受到各种力的作用。合力将决定其运动。有主要力量作用于无人机

• 重量
  • 由于无人机的质量，身体质量力始终沿重力方向作用
  • 无人机重量越大，提升和移动无人机所需的动力越大
  • 无人机重量 = 无人机质量 × 重力加速度
• 电梯：
  • 作用在无人机上的垂直力称为升力
  • 这种力是由于无人机上的压力差（在垂直方向上）。因此，螺旋桨叶片的速度、尺寸和形状决定了升力的大小
  • 举升是抵抗重力抬起身体的必要条件
  • 为了产生这种力量，所有四个螺旋桨都高速运转以提升无人机
• 推力
  • 沿运动方向作用在无人机上的力称为推力。然而，对于无人机动力学来说，它是垂直于旋翼平面的。
  • 在悬停期间，推力纯粹是垂直的。如果推力倾斜，则无人机将向前或向后倾斜。
  • 这种力对于以相同速度向所需方向移动无人机至关重要
  • 为了获得所需的运动，两个螺旋桨被赋予了高速
• 拖
  • 由于空气阻力作用在无人机上的相反运动方向的力称为阻力
  • 这可能是因为空气的压力差和粘度
  • 为了减少阻力，选择了无人机的空气动力学形状

四轴飞行器的运动学

• 每个螺旋桨产生的推力垂直于螺旋桨的旋转平面。它与螺旋桨角速度的平方成正比

F i = k f ×ω i 2

• 如果 L 定义为无人机任意对角线的两个电机或螺旋桨之间的距离，则关于 X 轴和 Y 轴的反作用力矩

Mx = (F 3 – F 4 ) × L

我的 = (F 1 – F 2 ) × L

• 牛顿第二运动定律
  • 对于直线运动：力 = 质量 × 直线加速度
  • 对于旋转运动：扭矩 = 惯性 × 角加速度

 悬停运动

• 悬停的平衡条件

毫克 = F 1 + F 2 + F 3 + F 4

所有时刻 = 0

• 运动方程

m = F 1 + F 2 + F 3 + F 4 – 毫克

米 = 0

  上升或下降运动（油门）

• 悬停（上升）的条件

毫克 < F 1 + F 2 + F 3 + F 4

所有时刻 = 0

• 秋季条件

毫克 > F 1 + F 2 + F 3 + F 4

所有时刻 = 0

• 运动方程

m = F 1 + F 2 + F 3 + F 4 – 毫克

米 > 0

 偏航运动

• 悬停条件

毫克 = F 1 + F 2 + F 3 + F 4

所有时刻≠0

• 运动方程

质量* 线性加速度 = F 1 + F 2 + F 3 + F 4 – mg

I zz *角加速度@ Z 轴 = M 1 + M 2 +M 3 + M 4

 俯仰和横滚运动

• 悬停条件

毫克 < F 1 + F 2 + F 3 + F 4

所有时刻≠0

• 运动方程

质量* 线性加速度 = F 1 + F 2 + F 3 + F 4 – mg

I xx * 角加速度@x 轴 = (F 3 – F 4 )×L

 刚体动力学

• 为了计算作用在无人机上的个体速度和力，应该对三维刚体动力学进行建模
• 第一步是确定参考坐标、旋翼速度方向和作用于无人机的力
• 对于刚体，我们要考虑气动、惯性、引力和陀螺仪的影响
• 空气动力：  螺旋桨在空气中的旋转会产生各种力，例如摩擦力和阻力
• 二次气动效应：叶片拍动、地面效应和局部流场
• 惯性反扭矩：作用在无人机中心的重力影响螺旋桨的旋转
• 陀螺效应：无人机机身方向的变化和螺旋桨的平面旋转。

• 基于 Newton-Euler 方程，将作用在四轴飞行器上的所有力和力矩结合起来，形成一个完整的无人机动力学模型
• 该物理模型可用于控制四轴飞行器的所需运动

 无人机的主要部件

以下是无人机的主要部件。

 

1. 框架：

• 它应该有足够的强度来保持螺旋桨的动量以及电机和相机的额外重量
• 坚固且气动阻力更小

1. 螺旋桨：
   • 无人机的速度和负载提升能力取决于螺旋桨的形状、大小和数量
   • 长螺旋桨产生巨大的推力，以低速 (RPM) 承载重载，并且对改变旋转速度不太敏感
   •  短螺旋桨承载较少的负载。它们快速改变旋转速度并且需要高速以获得更大的推力。
2. 马达
   • 无刷电机和有刷电机均可用于无人机
   • 有刷电机更便宜，对小型无人机有用
   • 无刷型电机功能强大且非常节能。但是他们需要电子速度控制器（ESC）来控制他们的速度。这些无刷电机广泛用​​于竞速自由式无人机、交通调查和航拍无人机。
3. ESC（电子调速器）
   • ESC用于将电池连接到电动机以供电源
   • 它将来自飞行控制器的信号转换为电机的每分钟转数 (RPM)
   • 为无人机的每个y电机提供ESC
4. 飞行控制器（FC）
   • 它是使用不同发射器管理平衡和电信控制的计算机处理器
   • 传感器位于该单元中，用于加速度计、气压计、磁力计、陀螺仪和 GPS
   • 距离测量可以通过超声波传感器进行
5. 无线电发射器将无线电信号发送到 ESC，以控制电机速度。
6. 无线电接收器：接收来自飞行员的信号。该设备连接到四轴飞行器
7. 电池：大功率容量，锂聚合物 (LiPo) 用于大多数无人机。电池可以有3S（3芯）或4S（4芯）。

无人机的应用与发展

• 无人机或阿联酋在太空、国防和军事用途、食品运送和农业喷洒杀虫剂方面有很多应用
• 无人机在行业中的应用参考本站帖子
• 无人机应用及CFD建模范围

 

无人机空气动力学 CFD 建模的范围 

• 计算流体动力学(CFD) 预测提升无人机所需的压力梯度
• 以下参数决定了无人机的空气动力学设计
  • 无人机有效载荷
  • 螺旋桨数量和速度
  • 螺旋桨的空气动力学
  • 螺旋桨间距
  • 无人机升力系数
  • 无人机产生的推力
• CFD建模将有助于优化无人机的空气动力学和应用