和菜鸟一起学电子小玩意之四轴飞行器原理

前几天看到个视频，觉得四轴飞行器很赞，于是乎想研究下，准备做一个玩玩。凡事还得先从基础开始。先学习下四轴的工作原理，那样，对以后的开发也相对来说方便多了。下面摘抄了一篇好文章，结合图形，通俗易懂。

先看个四轴飞行器的图吧。

四旋翼飞行器结构形式如图所示，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。与传统的直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。四旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。基本运动状态分别是：

（1）垂直运动；

（2）俯仰运动；

（3）滚转运动；

（4）偏航运动；

（5）前后运动；

（6）侧向运动。

在图中，电机1和电机3作逆时针旋转，电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。

 

（1）垂直运动：垂直运动相对来说比较容易。在图中，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当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。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。

（2）俯仰运动：在图（b）中，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。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（方向如图所示），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。

 

 

（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。

（4）偏航运动：四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。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，且对角线上的来年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。

 

（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。当然在图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。

（6）倾向运动：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。

       总得来说就是控制四个电机的速度了。然后相应的提高速度和减慢速度就可以让四轴动起来了。

 

 

       下面还有对电机，电池和浆的各种搭配：

电池：

什么叫1S电池，2S电池，3S电池？

1S：锂电1块3.7V 充满是4.2V

2S：就是2块锂电串联 7.4V

3S：就是3块锂电串联 11.1V

S是代表串连，P是代表并。3S就是代表3节电池串连，3P就代表3节电池并连。

电池的放电能力，最大持续电流是：容量X放电C数

例如:1500MA,10C,    则最大的持续电流就是=1.5X10=15安

如果该电池长时间超过15安或以上电流工作，那么电池的寿命会变短、还有电池的充满电压单片4.15-4.20合适，用后的最低电压为单片3.7以上（切记不要过放），长期不用的保存电压最好为3.9。

 

电机：

电机KV值：电机的转速（空载）=KV值X电压；

例如KV1000的电机在10V电压下它的转速（空载）就是10000转/分钟。

 

电机的KV值越高，提供出来的扭力就越小。所以，KV值的大小就与浆有着密切的关系，以下就这点提供一下配浆经验：

浆：

1060浆，10代表长的直径是10寸，60表示浆角（螺距).

    前两位数表示直径，后两位表示螺距。

 

搭配：

一般电机与浆是这样配的：

3S电池下；KV900-1000的电机配1060或1047浆，9寸浆也可

               KV1200-1400配9050（9寸浆）至8*6浆

               KV1600-1800左右的7寸至6寸浆

               KV2200-2800左右的5寸浆

               KV3000-3500左右的4530浆

 

2S电池下；KV1300-1500左右用9050浆

               KV1800左右用7060浆

               KV2500-3000左右用5X3浆

               KV3200-4000左右用4530浆

 

浆的大小与电流关系：因为浆相对越大在产生推力的效率就越高

    例如：同用3S电池，电流同样是10安（假设）

    用KV1000配1060浆与 KV3000配4530浆它们分别产生的推力前者是后者的两倍。

 

机型与电机、浆的关系：

一般来说：浆越大对飞机所产生的反扭力越大，所以浆的大小与机的翼展大小有着一定关系，但浆与电机也有着上面所讲的关系。

例如用1060浆，机的翼展就得要在80CM以上为合适，不然的话机就容易造成反扭；又如用8*6的浆翼展就得在60以上。 

再比如：用4530浆做翼展1米以上机行否？  是可以， 但飞机飞起来会很耗电，因为翼展大飞行的阻力大，而4530浆产生的推力相对情况下小（上面浆的大小与电流关系有讲到）。