多旋翼飞行器设计与控制（一）—— 绪论

多旋翼飞行器设计与控制（一）—— 绪论

前言：
最近我在学习控制技术在机器人设计上的应用。毫无疑问多旋翼无人机是验证控制模型和滤波算法最佳的实验载体。我找到了北航的可靠飞行控制研究组的课程，并打算用博客来记录自己的学习过程，也算是对还有没几天就结束的寒假学习做一个挽留

贴一下这个研究组的网站，可以在上面下载课程的课件和视频：

http://rfly.buaa.edu.cn/course.html#ZhCourse

一、飞行器分类

1、固定翼飞机：民航客机、教练机、战机等都是固定翼飞机，其特点是续航、载荷和效率都是最大的，但起飞过程和降落过程都需要滑行。

2、直升机：很明显具有垂直起降的飞行器可以在更恶劣的环境下进行起降，但他最大的特点就是机械结构及其复杂。

3、多旋翼：这类机型就是这门课程主要研究的机型。它在载荷、续航上的表现大大折扣，但是它可以垂直起降且机械结构简单的特点很受欢迎

下面一张图比较了三种飞行器的优缺点：

稍稍的补充:

并不是所有的无人机都属于多旋翼这个范畴。比如美军的“全球鹰”无人机就应该属于固定翼飞机。研究这类飞机更多的是研究气动特性和布局在机身上的各类传感器与探测器，更多关注机体本身的物理参数和系统结构特性。

当然也存在复合型飞行器。比如大名鼎鼎的“鱼鹰”，由于机翼结构的可变动型，他既有VTOL飞行器的优势，同时还可以具备固定翼战斗机的巡航飞行能力。其机械结构和飞控算法及其复杂，尽管在初期发生多次坠机，但它仍代表了一种先进的飞行器设计与控制技术

二、多旋翼的受力

多旋翼无人机自身产生的拉力方向垂直于桨叶平面，并在竖直方向上受到重力。因此多旋翼无人机的基本受力包含：重力和拉力

1、悬停状态

• 拉力 = 重力
• 四个力矩抵消

2、上升下降运动

• 四个旋翼同时增大拉力，此时拉力大于重力
• 力矩抵消

3、向前向后运动和向右向左运动

原理都是同一侧的两个桨叶转速小于另一侧桨叶转速，此时便会有横滚角或俯仰角产生，导致拉力与重力不在同一条直线，合力便会使无人机运动。 需要注意的是产生姿态旋转后，原来的拉力在竖直方向上的分力显然小于重力，此时要增大拉力，以使分力可以平衡重力

4、偏航运动

同时增大一对在对角线上桨叶的转速，并同时减小一对在对角线上桨叶的转速。此时前后左右方向上的力矩为零，但在顺时钟或逆时针方向上产生了力矩，因此无人机会做偏航运动

三、多旋翼的局限性

1、桨叶尺寸越大,越难迅速改变其角速度，意味着机动性降低。

2、在大载重下，桨叶的上下振动会导致刚性桨叶折断。

以上两点意味着多旋翼无人机不可能做的很大