微型四轴飞行器(6)四轴飞行器控制原理

本文介绍了四轴飞行器的基本控制原理,包括垂直、俯仰、横滚和偏航四种运动姿态的实现方法。通过调整四个电机的转速,四轴飞行器可以完成上升、下降、前进、侧移及旋转等动作。

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四轴飞行器通过操控四个电机的转速来达到不同的控制效果[13]。分别有4种运动 姿态。垂直运动、俯仰运动、横滚运动和偏航运动。当保持在控制稳定时需要通过对角电机同向、相邻电机反向运动的方式来抵消陀螺效应和空气动力扭矩效应。

  1. 垂直运动: 暂且不考虑自稳的情况下,增大4个电机的输出功率能够提升飞行器的浮力,当浮力大于机体重量且足够改变状态的时候,机体便会向上移动,相反,同时降低四个电机的输出功率则会垂直下降。当浮力和重量正相等的时候,飞行器在空中保持垂直静止。

  2. 俯仰运动: 这里不得不讨论下飞行器的组装方式,由于在组装方式的不同,控制方式也不同。简单分为十字型和X型,他们分别决定了是控制2个电机还是4个电机。但是通俗的来讲,我们首先要保持全部电机的总功率不改变,这样才能保持垂直方向的固定,而我们如果要向前运动,则需要将俯仰轴前的电机降低功率,俯仰轴后的电机增加同等功率,这样便会使飞行器发生倾斜,为了达到新的平衡,飞行器便会向前运动

  3. 横滚运动:该运动和俯仰是完全一样的,只是我们在定义的俯仰轴后,另一边对角线就成了横滚轴了而已

  4. 偏航运动: 该运动是依靠空气动力扭矩效应办到的,我们只需要打破上文提到的对角电机同向,正负转向功率和为0的条件就能实现旋转,如若正转的功率大于了反转的功率,则反扭矩力是飞行器向反向推动,导致飞行器反向转动。

总结飞行状态和四个电机转速情况如表1所示,其中“+”表示增加转速,“-”表示降低转速,“=”表示转速不变

/电机1电机2电机3电机4
升降++++
俯仰+=-=
横滚=+=-
偏航+-+-
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