四轴飞行器漫谈——《无线电》2014.03
2014-03-31 15:34:54四轴飞行器最早进入寻常百姓的视野,可能是因为一部有趣又励志的电影《三傻大闹宝莱坞》。影片中小小的四轴飞行器,象征着那位年轻学生的爱好和梦想。后来,国内外的开源硬件浪潮,让四轴飞行器成为了家喻户晓的耀眼明星。
事实上四轴飞行器的历史已经很悠久了,早在1907年,法国的Breguet兄弟就已经制造了第一架四旋翼式直升机,由于没有用到平衡控制系统,飞行的稳定性非常差。十多年前我还是个学生的时候,也有 一些老师和同学在研究四轴飞行器。为什么大家会考虑选择四轴呢?主要原因有下面几点。
▶容易实现旋转力矩的平衡
大家都见过直升机后面有个长长的尾巴,上面还有一个尾桨。这种设计是为了在主桨高速旋转时,避免反作用力让驾驶舱向反方向旋转。而四轴飞行器是对称的结构,两组螺旋桨分别向不同的方向旋转,这样四轴飞行器的机身主体就不会产生自转。
手掌大小的四轴飞行器
▶容易建立数学模型
四轴实际上对应的是数学上的x轴和y轴,是我们所熟悉的笛卡尔坐标系。这也是为什么我们看四轴的原理图时,光看图就可以直观地理解它的翻转、前进等原理了。
▶体积更小
由于四轴飞行器的结构特点,它可以做得更加扁平,我在网上见过四轴飞行器侧飞并钻过栏杆的视频。另外,相对于单轴的直升机,它的每个桨都可以做得更小,甚至可以用保护罩包起来,这意味着它也可以更安全。
听上去似乎很不错,但是为什么以前做不出这么酷的四轴飞行器呢?这是因为四轴飞行器的重心较高,靠传统技术很难实现平衡。有兴趣的朋友可以尝试用筷子顶起一本书,然后走几步看看。一个没有反馈的开环系统,微小的扰动就会造成我们常说的“炸鸡”。而现在,得益于高速发展的电子技术,我们可以通过陀螺仪和加速度传感器,以很高的采样率来计算出飞行器的姿态。
未完。。。
全文详见《无线电》2014.03