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【航拍宝典】无人机相关理论及飞行控制

精华 38
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1.1.        多旋轴系统

在我们地球的三维空间,我们通常用3个轴的矢量位移来描述一个物体在三维空间的运动和位置,这三个轴通常表示为X(经度),Y(纬度)和Z(高度)。围绕这3个轴的转动所引起三种不同的运动被称为Roll, Pitch 和Yaw.[见图1].
图1

1.2.        多旋轴飞行器的移动

Roll – 以X轴为轴心进行旋转,使得飞行器产生左右移动的倾角
Pitch – 以Y轴为轴心进行旋转,使得飞行器产生前后移动的倾角
Yaw – 以Z轴为轴心进行旋转,改变飞行器在水平上机头朝向

Roll,pitch和Yaw的运动都由飞控员通过对控制器上的4个油门进行操作而完成。
每种移动的快慢都可以通过改变对相应的油门大小来完成



1.3.        四轴飞行器的飞行原理


1.3.1.        操控

当控制多旋轴飞行器时,了解我们如何能控制飞行器的各种运动是非常重要的。多旋轴飞行器的各种运动都是同改变电机转速来实现的。电机带动各轴上的螺旋桨旋转而产生升力,飞控员通过准确调整各轴上的电机的相对速度,而使得多旋轴飞行器可以完成roll, pitch 和yaw的运动或者上升或下降。


Roll 和Pitch运动

要飞行器能够完成roll的动作,飞控员要使以X轴为对称的两侧的其中一侧的一对电机旋转得比另一侧快,这样使得这一侧的螺旋桨产生比另一侧更大的升力来完成roll的动作。

要飞行器能够完成pitch的动作,飞控员要使以Y轴为对称的两侧的其中一侧的一对电机旋转得比另一侧快,这样使得这一侧的螺旋桨产生比另一侧更大的升力来完成pitch的动作。


举个栗子:

Roll

如果要让飞行器往右倾斜,飞控员要控制左边两个红色的螺旋桨的转速要比右边两个蓝色的螺旋桨的转速要快,这样就会使左边的螺旋桨产生比右边更大的升力而使飞行器产生向右的倾角。见[图2]
图2

Pitch

同理,如果要让飞行器往前倾斜,飞控员要控制后面边两个红色的螺旋桨的转速要比前面两个蓝色的螺旋桨的转速要快,这样就会使后面的螺旋桨产生比前面更大的升力而使飞行器产生向前的倾角。见[图3]
图3

Yaw

控制多旋轴飞行器以Z轴水平旋转的运动要比roll和pitch要复杂。

螺旋桨在旋转时,与空气产生摩擦,空气对螺旋桨也相应地产生气动阻力来抵抗螺旋桨的运动,因此当螺旋桨以顺时针旋转时,所产生的气动阻力就是逆时针的,也就使得飞行器逆时针旋转。

正如牛顿第三定律有所描述的:两个物体相互作用时所作用在对方的立,大小相等,方向相反,因此作用在螺旋桨上顺时针的扭力同时也对飞行器产生一个逆时针的扭力来推动飞行器向逆时针方向进行转动。

在多旋轴飞行器上,为了让飞行器达到旋转平衡,我们都设定相邻的两个螺旋桨以相反方向以相同的转速旋转,见[图4]
图4
四轴飞行器的4个螺旋桨都企图让飞行器向相反方向旋转,因此互相抵消了相互之间的旋转。这就是为什么多旋轴飞行器大多是偶数轴,并且相邻的两个螺旋桨反方向旋转。

所以当我们需要飞行器以逆时针旋转式,我们就控制顺时针旋转的螺旋桨加速旋转,或逆时针旋转的螺旋桨减速旋转,都能破坏这个气动阻力平衡使飞行器完成逆时针的Yaw的运动,见[图5] 同理,相反。
图5
1.3.2.        控制飞行高度

在地球上的所有物体都受到地球引力的作用,方向向地心,这个力就叫做重力。为了让飞行器飞起来,我们就要让飞行器产生一个向上的力来克服重力,这个力就叫做升力。多旋轴飞行器的所有螺旋桨都能产生升力。

因此多旋轴飞行器的螺旋桨的外形也设计得和固定翼飞机的机翼相类似。当螺旋桨旋转时,螺旋桨推动空气施加向下的力,同时(还是牛顿第三定律)空气也对螺旋桨产生向上的升力,当升力大于重力,飞行器上升;当升力等于重力,飞行器悬停;当升力小于重力,飞行器下降。见[图6]
图6


1.3.3.        重心

我们通常都假设重力作用在一个物体的某个点上,这个点就叫做重心。而这个重心也位于和一条指向地心的线上,我们叫它重心线。我们暂且将这条线实物化为一条杆子。如果一个物体的重心落在这条杆子上,那么这个物体也就能达到平衡坐在杆子上,或以这条杆子为轴心进行水平旋转。

如果物体的形状发生改变,使得重心离开了这条杆子,物体也会失去平衡而翻到。所以我们在飞行器上挂载负荷的时候,要尽量靠近重心线。

当飞行器倾斜角度越大,推力的作用在水平方向的矢量就越大,作用在垂直方向的矢量就越小。

如果飞行器要悬停在一个高度,垂直方向的矢量的力必须和重力相等。所以当飞行器倾斜的时候,总推力必须要加大而让垂直方向的矢量的力和重力保持平衡,这样,飞行器才能水平悬停。倾斜角度越大,需要的油门也越大。

当飞行器倾斜角度大于一个临界值时,就算油门全开,所产生的升力也不能抵消重力,这时炸鸡就来了。这种情况常见于手动模式飞行。



1.3.4.        地面效应

所有的地面效应都是因为螺旋桨推动空气向下,使得飞行器下方的气压上升所造成的。当飞行器接近地面时,下行的气流到达了地面不能再继续往下扩散,也就会在飞行器旋翼下方形成一个高气压区域。

有趣的是,这个高压区会使得旋翼所受的阻力减少,因此升力也就相应的增加(牛顿继续看过来)。因此,在地面效应下,飞行器可以用更少的燃料进行飞行。气垫船就是这个原理。地面效应通常出现在起飞和降落的时候。

但在地面效应的影响下,飞行器比较不稳定。越靠近地面,地面效应越强。通常30厘米左右会逐渐消失,这个和飞行器大小有关。因此飞行过程中应尽量避免地面效应。地面效应同理也会在水面产生。





1.4.        补偿性控制

多旋轴飞行器主要有4个主要的飞行姿态:油门,roll, pitch和yaw。这些飞行姿态都是通过飞控员调整控制杆输出量来控制。
但是当这些飞行器飞行姿态改变的时候,会有一个副效应作用也飞行器上。


举个栗子:

如果我们想飞行器向前飞行,以美国手为例,我们需要将右控制杆向前推让飞行器完成一个pitch的动作。如果这时的飞行器是空中悬停的,所有的推力都作用在垂直矢量上用来抵抗重力,和重力大小相等,方向相反,水平推力矢量为零。

当飞行器pitch的一刹那,推力方向改变了,产生了倾角,推力产生了水平矢量,因此飞行器会发生水平位移。同时,由于总推力不变,推力的垂直矢量相应减少,不足以抵抗重力。这样就产生了一个副效应,就是飞行器损失高度。见[图7]
图7
为了让飞行器保持水平高度,在手动模式下,飞控员必须增加油门,让推力的垂直矢量和重力达到平衡。

同理,如果飞行器在完成pitch的运动也会产生一样的副效应。在自动模式下,飞控会根据倾角的大小来加大油门自动补偿这个垂直矢量的力。大疆的P模式(定位)和S模式(运动)肯定有自动补偿,不清楚A模式(姿态)是否有自动补偿。

而对于飞行器要完成一个组合动作,如向前飞的同时来个yaw来转弯,这个副效应就更加复杂。

试想一下,当飞行器向前飞行的时候,突然来一个90度的Yaw的动作,飞行器就会发生“脱轨”。大家可以试想一下开个车以100km/h狂奔,突然将方向盘向左打满,会发生什么情况。

因此,为了让飞行器转个靓弯,我们就要同时让飞行器同时完成一个roll的动作,让飞行器向转弯方向倾斜,有个向心力,不会让飞行器“脱轨”。这就是为什么高速公路转弯的地方,路面向内倾斜的原因。如果还没有想像到飞行器的飞行姿态,建议多看几遍星球大战。
具体操作如[图8]
图8
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楼主  Phantom 4认证用户 2016-7-6 2#
呕心沥血码了不少字,可惜图不能放在字中间。大家就多动动手指吧。
多十德  Mavic Pro认证用户 2016-7-6 3#
http://bbs.dji.com/thread-65054-1-1.html
楼主参考一下,图可以放置在段落之间的,建议修改一下,不然看起来可读性会不高的
飞入新境界
DJI-地瓜蔓儿   2016-7-7 4#
给楼主调整了一下排版,这个坑货系统排版的精髓就在于:图片和文字得一段段插入。。。
楼主  Phantom 4认证用户 2016-7-7 5#
DJI-地瓜蔓儿 发表于 2016-7-7 10:37
给楼主调整了一下排版,这个坑货系统排版的精髓就在于:图片和文字得一段段插入。。。 ...
谢谢管理员的调整,
魔道天使  Phantom 4 Pro认证用户 2016-7-7 6#
学习了。只知道试用并不知道其中的奥秘。看了这些略知一二了。。谢谢~~
dxzgwwf  Phantom 4 Pro+认证用户 2016-7-7 7#
高手,学习了!幸好以前学的物理知识还没全部丢掉。
DJI-地瓜蔓儿 发表于 2016-7-7 10:37
给楼主调整了一下排版,这个坑货系统排版的精髓就在于:图片和文字得一段段插入。。。 ...
你也发现了
chanson  Inspire 1 Pro认证用户 2016-7-7 9#
默默的收藏精装贴。。。。。
飞在空中看景,尽收眼底......
CAHI  Osmo Mobile 2认证用户 2016-7-7 10#
先码再看,技术贴
异样   2016-7-7 11#
DJI-地瓜蔓儿 发表于 2016-7-7 10:37
给楼主调整了一下排版,这个坑货系统排版的精髓就在于:图片和文字得一段段插入。。。 ...
程序猿  看得到
炸香机073   2016-7-7 12#
学习了                           
Steven-优飞航拍  Mavic Pro认证用户 2016-7-7 13#
技术贴,学习了
优飞航拍专业承接无人机航拍业务,提供VR飞行体验服务。
微信公众号:U-FLYER
华翔模型  Mavic Mini认证用户 2016-7-7 14#
不错的技术贴,好好学习一下
dpxpj  Phantom 3 Advanced认证用户 2016-7-7 15#
楼主,你以为写这么详细我就能看懂啊!你真是太天真了。
38479715  Osmo认证用户 2016-7-8 16#
楼主写的真好,我把物理书找出来看看,不然弄不懂
捷瑞爱飛  Phantom 3 Professional认证用户 2016-7-8 17#
楼主还在吗,我大致看了一下,
你主要是重新编辑并介绍了一下多轴飞行器的控制原理。

对于空气动力学的介绍好像并不多(地面效应算一个)

是这样的,我一直有一个想法,对于多轴来说,特别是这种机架型 的自组装机型。。好像并没有多少受风面积(不准确但是暂且称为是受风面积)
那我们是不是可以理解,多轴就是一个会飞的小石头,其实空气气流对多轴的影响并不大??

为什么我会这么想,因为很多人喜欢说,越大的多轴越抗风,比如小悟会比精灵抗风这样的描述
但是我实际使用时发现,其实很多250或者更小轴距的穿越机,在大风中飞行性能依然很好,并没有因为气流对飞行有任何影响。

我自己的思考就是,是否是因为多轴机身机架本身  并没有多大面积并且为了重量也有很多偷轻处理(都是空洞),所以受到气流的影响主要是螺旋桨?
桨越大是不是迎风面积反而大?》
是不是越大的多轴反而越容易受到气流影响呢?

当然了,稳定性并不只有气动布局影响。动力大小,动力反应速度也是至关重要。。。如果用2212级别电机,9寸桨飞800轴距大四轴(假设机身够轻飞的起来),我估计一阵1级风飞机都会翻掉,因为没有动力冗余来保持自稳了


纯粹个人想法,并没有去证实过,所以欢迎有实际体会的,和了解气动原理,,空气动力学原理的朋友来讨论
李家村王铁匠  Inspire 1认证用户 2016-7-8 18#
非常好的东西,学习,学习。
LZR  Osmo Mobile认证用户 2016-7-8 19#
捷瑞爱飛 发表于 2016-7-8 10:57
楼主还在吗,我大致看了一下,
你主要是重新编辑并介绍了一下多轴飞行器的控制原理。
我认为大型多轴虽然受到的空气阻力大,但是它自身重量也大,动力强,所以抗风。小的穿越机速度本来就很快,所以风对它造成不了什么影响。
Danielv8  Phantom 3 Advanced认证用户 2016-7-8 20#
学到很多东西
一直 不知道 它是怎么原地自转的
感谢楼主分享
天览航拍  Inspire 1认证用户 2016-7-9 21#
挺不错的,学习啦
亂世王朝007  Osmo+认证用户 2016-7-10 22#
精灵3标准版也可以左右拐弯吗
晨风  Phantom 4认证用户 2016-7-11 23#
这个不错~知道原理可以避免很多意外发生
智能生活馆  Phantom 3 Professional认证用户 2016-7-12 24#
我想说看不懂 但是怕暴露我的智商
楼主  Phantom 4认证用户 2016-7-13 25#
捷瑞爱飛 发表于 2016-7-8 10:57
楼主还在吗,我大致看了一下,
你主要是重新编辑并介绍了一下多轴飞行器的控制原理。
任何一个飞行器在飞行过程中都必定受到2种类型阻力:寄生阻力,诱导阻力。
寄生阻力主要是静态因素引起,包括飞行物外形,受风面积,表面摩擦系数等。你提到的自组装机型,受风面积较小,因此在同等条件下,理论上寄生阻力是比较小。
诱导阻力主要是由气流在螺旋桨或机翼边缘产生的涡流引起。

大飞机之所以比较稳,我个人认为是有两方面的原因:
第一,自重。由于重量大,就是使用较大功率的马达,使飞行器在空中达到平衡,当气流流过时,功率大的马达更能抗风,这个和开一个排量大的车,在上坡的时候,失速率更低的原理是一样的。
第二,宽度。在评价一个飞行器是否稳,我们主要是看它的抖动幅度,主要是偏角变化的幅度,而非矢量位移的大小。瞒天过海的故事听过不?当一侧的位移都是10cm的时候,1米长的飞机产生的偏角变化是10%,而0.3米长的飞机偏角变化就是33%。

你上面说到螺旋桨越大,迎风面积越大,这个没有错。但是也要考虑另一方面,螺旋桨越大,气流通过螺旋桨的量也越大。气体流动时因为压力变化而产生。螺旋桨旋转将上面的空气转移到下面,就是在螺旋桨下面产生一个高压区A。我们假设有一股气流由上而下流动,在螺旋桨上面也会产生一个高压区B,当A>B的时候,飞行器向上走,A=B的时候,飞行器悬停,A<B时,飞行器向下走(不考虑重力因素)。

行影相随627  Phantom 3 Advanced认证用户 2016-7-14 26#
技术强帖
无迹  Inspire 2认证用户 2016-7-16 27#
收藏学习~  
捷瑞爱飛  Phantom 3 Professional认证用户 2016-7-18 28#
s970022 发表于 2016-7-13 22:28
任何一个飞行器在飞行过程中都必定受到2种类型阻力:寄生阻力,诱导阻力。
寄生阻力主要是静态因素引起, ...
目前普遍的认为还是,多轴,主要影响控制效果的因素  还是推力比(也就是动力冗余大小)

不过最初我的意思还是在于气动布局,或者外形,也就是你说的寄生阻力和诱导阻力

当然这个阻力抛开动力又没有什么谈论的意义,好纠结呀

不过可以全部都计算好推重比,1;1的情况。。我们组一台200轴距小四轴,和一架650轴距大六轴,看看效果,这倒是个办法
HowieMandel  Inspire 1认证用户 2016-7-19 29#
学习了,很不错的一篇教学文章
gemma1131  Osmo Mobile认证用户 2016-7-23 30#
不错不错 学习了、。
Superhurricane  Phantom 4认证用户 2016-7-25 31#
不错的教程,作为新手收藏你的帖子了
大漠孤烟z  Mavic 2 Pro认证用户 2016-7-27 32#
专业好贴让我搞清楚了多轴的飞控原理
lon542  Phantom 3 Advanced认证用户 2016-7-29 33#
学习了,终于懂了点4轴的飞行原理
Seek dream  Inspire 1 Pro认证用户 2016-8-5 34#
这种帖子真心不错,希望楼主以后多来点这种干货
jason雷胤  Phantom 3 Advanced认证用户 2016-12-5 35#
厉害了我的哥,学习了
HT2016  Mavic Pro认证用户 2016-12-18 36#
学习了,谢谢楼主
认证设备
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