【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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四旋翼无人机原理和结构

旋翼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，四个电机对称安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。结构形式如图1.1所示。

四旋翼无人机工作原理是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，从而实现升力变化，控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，因此它是一种欠驱动系统。

当四个电机中电机1和电机3逆时针旋转，电机2和电机4顺时针旋转时，陀螺效应和空气动力扭矩效应被抵消。电机1和电机3逆时针旋转，电机2和电机4顺时针旋转，飞行器平衡飞行。

四旋翼飞行器的垂直运动通过同时增加四个电机的输出功率实现。当总拉力足以克服整机的重量时，飞行器便离地垂直上升；反之，飞行器则垂直下降，直至平衡落地。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，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转，实现飞行器的俯仰运动。

滚转运动通过改变电机2和电机4的转速实现。机身绕x轴旋转，实现飞行器的滚转运动。

偏航运动通过使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同，以克服反扭矩影响。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，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。

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，同时保持其它两个电机转速不变实现。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。

倾向运动的工作原理与前后运动完全一样。

四旋翼无人机的优缺点

多旋翼无人机的操控性和可靠性表现最佳。操控性方面，多旋翼的操控是最简单的，起飞后可在空中悬停。可靠性方面，多旋翼没有活动部件，可靠性较高，飞行范围受控，相对固定翼更安全。

在勤务性方面，多旋翼的勤务性是最高的，因其结构简单，若电机、电子调速器、电池、桨和机架损坏，很容易替换。然而，续航性能方面，多旋翼的表现明显弱于其他两款，能量转换效率低下。

在承载性能方面，多旋翼也是三者中最差的。虽然多旋翼具有操控性与飞机结构和飞行原理相关的特性，但其运动和简单结构都依赖于螺旋桨及时的速度改变，该方式不宜推广到更大尺寸的多旋翼。

桨叶尺寸越大，越难迅速改变其速度，导致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。因此，为了减少桨叶的疲劳，多旋翼需要增加活动部件或加入涵道和整流片，这会急剧降低可靠性、维护性和续航性。