【四旋翼无人机】四旋翼无人机原理和结构 四旋翼无人机的优缺点

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【四旋翼无人机】四旋翼无人机原理和结构 四旋翼无人机的优缺点

四旋翼无人机的结构形式包括四个螺旋桨，对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，电机安装在支架端，中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。结构形式如图所示。

四旋翼无人机的工作原理是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。电机1和电机3逆时针旋转，电机2和电机4顺时针旋转，平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。

四旋翼飞行器通过增加四个电机的输出功率实现垂直上升，减小四个电机的输出功率实现垂直下降，从而实现沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，飞行器便保持悬停状态。

俯仰运动通过改变电机1和电机3的转速实现，电机1的转速上升，电机3的转速下降，产生不平衡力矩使机身绕y轴旋转，实现俯仰运动。滚转运动通过改变电机2和电机4的转速实现，使机身绕x轴旋转，实现滚转运动。

偏航运动通过改变电机1和电机3的转速实现，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，实现偏航运动。

前后运动通过增加电机3转速，使拉力增大，相应减小电机1转速，使拉力减小，实现前飞运动。倾向运动原理与前后运动完全一样。

四旋翼无人机的优势在于操控简单、可靠性高和勤务性高。固定翼飞行场地要求开阔，而多旋翼起飞后可在空中悬停，无需跑道，操控简单，自动驾驶仪控制方法简单。机械可靠性方面，多旋翼没有活动部件，可靠性较高，固定翼和直升机有活动部件，飞行过程中会产生磨损，导致可靠性下降。

然而，多旋翼也有自身的发展瓶颈。桨叶尺寸越大，越难迅速改变其速度，直升机主要是靠改变桨距而不是速度来改变升力。在大载重下，桨的刚性需要进一步提高。螺旋桨的上下振动会导致刚性大的桨很容易折断，桨叶的柔性是很重要的，可以减少桨叶疲劳。为了减少桨叶的疲劳，直升机采用了一个容许桨叶在旋转过程中上下运动的铰链。如果要提供大载重，多旋翼也需要增加活动部件或加入涵道和整流片，可靠性、维护性和续航性会急剧下降。增加桨叶数量也是一种可行方案，但会极大地降低可靠性、维护性和续航性。微小型多旋翼是最终选择。