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四旋翼无人机(jī)结构原理(lǐ)大揭(jiē)秘

 

认清自(zì)己

为了认(rèn)清(qīng)自(zì)己,四旋翼飞(fēi)行器配备了两只功能强大(dà)的眼(yǎn)睛:一只能看(kàn)清自(zì)己(jǐ)的“位置”,知道自(zì)己是在黄山还是泰山,这就(jiù)是自带(dài)的(de)GPS定(dìng)位(wèi)系(xì)统;另一只能看(kàn)清自(zì)己的(de)“姿态”,就是知道(dào)自己是(shì)“坐着”、“躺着”,还是“倒立”,这(zhè)就是陀螺仪(yí)。这两只(zhī)眼睛还要和(hé)“加(jiā)速(sù)度计”配合使用,才能更准确(què)地知道自己的姿态和位置,以(yǐ)及姿态和(hé)位(wèi)置的改变(biàn)情况。

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所谓GPS定位系统即全球定位系统(GlobalPositioningSystem),是一种以全球24颗定位人造卫星为基础,向(xiàng)全(quán)球各地全天候地提供三维位置(zhì)、三维速度等信息的无线电导航定位系统。它由三部分构成:一是地面控制部分,由(yóu)主控站、地面天线、监测(cè)站及通讯辅助系统组成;二是(shì)空(kōng)间部分,由24颗卫星组成,分(fèn)布(bù)在6个(gè)轨道(dào)平面;三是用(yòng)户装置部(bù)分,由(yóu)GPS接收机和卫星天线组成。四旋翼飞行(háng)器身上安装的就是用户装置部分。

陀螺仪又叫角速度计,就是通过一个不断旋转的(de)陀螺记录“姿态”。它的原理跟小时候玩(wán)的抽陀(tuó)螺一样,陀(tuó)螺一(yī)旦转起来,即使(shǐ)地面是(shì)斜的,陀螺(luó)还是会(huì)保持(chí)垂直旋(xuán)转,具(jù)有(yǒu)“定(dìng)轴(zhóu)性”,我们可以(yǐ)假定这个姿势是“坐姿”。当四旋(xuán)翼飞(fēi)行器“躺下”时,便与坐姿产(chǎn)生了一(yī)个夹角,但陀螺仪依然会沿着“躺姿”的轴继续(xù)高速旋转(zhuǎn),具有“进动性”。利用安(ān)装在陀螺(luó)仪上的传感器(qì)就可以知(zhī)道这个夹角的大(dà)小和方向,从而(ér)确定(dìng)“姿态”的变化(huà)。

光(guāng)有GPS和陀螺(luó)仪还不(bú)能很好地知(zhī)道(dào)自己准确的“姿(zī)态”和“位置”及(jí)动态变化的情况,还需(xū)要有加速度计的配合。

设计者在加速(sù)度计的内部配置了两(liǎng)个电(diàn)容(róng)的连接点,并(bìng)且在中间放(fàng)置一个(gè)可导电、可晃动的物质,透(tòu)过监测该(gāi)物(wù)质移(yí)动(dòng)引起的电容(róng)改变,得(dé)到四旋翼飞行器(qì)位置变(biàn)化的剧烈程度。

认识他人

认清了自己(jǐ)之(zhī)后,四旋翼飞(fēi)行器还需要认识他人。一(yī)般的四旋翼飞行器会配备一架高级相机,这(zhè)台高级相机,其实和咱们(men)日常使用的相机是一个(gè)原理(lǐ),只(zhī)是多了一个(gè)高级的视觉处(chù)理系统(tǒng),犹如人的视神经系统一样,可以感知周边环境。“相机”分辨(biàn)率越(yuè)高四(sì)旋翼飞(fēi)行器就“看”得越清楚。

四旋翼(yì)飞(fēi)行(háng)器(qì)还师(shī)从蝙(biān)蝠,仿(fǎng)照超声(shēng)波(bō)测距,配备红外(wài)线发射装置,通(tōng)过发射出去的(de)波和反射回来的波之间的时间差,测出目标距离(lí)自(zì)己有(yǒu)多远。

四旋翼飞行器(qì)拥有对(duì)称(chēng)分布在身(shēn)体的前后左右的四只(zhī)“翅膀”,它们在同一(yī)高度的平面(miàn)上(shàng),大小(xiǎo)完全相同,由四个对称分布在“翅膀”支架端的电机提供动力,支架(jià)中(zhōng)间安放着GPS、陀(tuó)螺仪、加速度计、感应器、视觉感应系统(tǒng)和红外(wài)线测距装(zhuāng)置等。

拥有如此简单(dān)的构架,四旋翼飞行(háng)器又是(shì)如何飞翔(xiáng)的呢?

四旋翼飞行器的四只“翅膀”不停的转动会提供升力,转速的改变可(kě)以改(gǎi)变升力的大小,从而(ér)改变四(sì)旋翼飞行器的(de)位(wèi)置和姿态。另外,相(xiàng)邻的翅膀要做相反方向(xiàng)的旋转,这(zhè)样才(cái)能(néng)产生(shēng)平衡的(de)力矩防止四旋翼在空中“打转”。

下面就让我(wǒ)们(men)看(kàn)看四旋翼飞行器的飞行绝技。

悬停:四(sì)个电机的输出(chū)功率增加,就带动着四只翅膀的转速提升(shēng),产生向(xiàng)上的升力,当这个升(shēng)力超(chāo)出了四旋翼飞行器自身重(chóng)力(lì)时,四旋翼飞行器便起飞(fēi)了。所谓(wèi)在空中悬停(tíng),就(jiù)需要四只翅膀转速(sù)带(dài)来(lái)的升力(lì)和地球施加的(de)重力大小相同,方向(xiàng)相反,也(yě)就是“静(jìng)若处子”啦。

前进:做到悬停之后,四旋翼飞行器又如何前进呢?这需要力的方向发生变化,一定(dìng)要有使其向前的(de)力,如(rú)图7所示,在悬(xuán)停的基础上(shàng)增(zēng)加后面翅膀的转速使得升力增大,减小前(qián)面翅膀的转速使得升力减小,如(rú)此四旋翼飞行器的身(shēn)体便会产生倾斜,翅膀的升力差便会产生向前(qián)的分量,四(sì)旋翼(yì)飞行器便(biàn)可以向前(qián)飞行了。

滚转:如果改变左右两只翅膀的转速,即改(gǎi)变力矩,四旋翼飞行器就能在空中(zhōng)实现滚转。当增大左(zuǒ)边减小(xiǎo)右边电机(jī)的转速(sù)或者(zhě)减小左边增大右边电机的(de)转速时,机体就会倾斜,如此左右(yòu)不平衡的升力会使(shǐ)得力矩增大(dà),这样飞行(háng)器就(jiù)可以在空中滚转了。

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