四旋翼飞行器 - 图文

武汉纺织大学2014届毕业设计（论文）

M2F3 M3螺旋桨3螺旋桨4图1-2

图1-2中，F1、F2、F3、F4分别代表前左后右四个螺旋桨产生的升力，M1、M2、M3、M4分别代表四个螺旋桨所产生的力矩；通过控制四个桨翼产生的升力和力矩，即可让飞行器实现各种飞行姿态和运动方式；具体的运动方式如下：

(a) 上下运动

上下运动包括四旋翼飞行器的空中悬停和垂直升降。如图1-3所示，当飞行器四个桨翼以相等的速度旋转时，各个桨翼所产生的升力大小相等，反扭力抵消，总的升力不等于飞行器自身重力时，飞行器就会垂直上升或者下降；总的升力等于自身重力时，飞行器就水平悬停，此时有F1=F2=F3=F4= G /4。（其中G为整个飞行器重量）

F2螺旋桨2螺旋桨1 M2F3 M3螺旋桨3螺旋桨4图1-3

(b) 横滚运动

横滚运动又称为左右运动，如图1-4所示，右边两个桨翼的转速高于左边两个桨翼转速时，右边桨翼所产生的总升力大于左边桨翼产生的总升力，机身将向左侧倾斜和运动，此时有F1=F4，F2=F3，F1+F4> F2+F3，并且F1+F2+F3+F4= G。（其中G为整个飞行器重量）；同理，可以使机体向右侧倾斜和运动。

飞行控制模块 悬停5

F2螺旋桨2螺旋桨1F1 M1飞行控制模块 M4F4

四旋翼飞行器抽象图

F1M1 M4F4

四旋翼飞行器上下运动图

武汉纺织大学2014届毕业设计（论文）

螺旋桨2螺旋桨1 M2F3 M3螺旋桨3螺旋桨4图1-4

(c) 俯仰运动

俯仰运动又称为前后运动，如图 1-5 所示，前边两个桨翼的转速低于后边两个桨翼转速时，前边桨翼所产生的总升力小于后边桨翼产生的总升力，机身将向前清晰和移动；同理，可以使机体向后侧倾斜和移动。此时有F1=F2，F3=F4，F3+F4> F1+F2，并且F1+F2+F3+F4= G。（其中G为整个飞行器重量）

F2螺旋桨2螺旋桨1M2飞行控制模块M1F3 M3螺旋桨3螺旋桨4 M4PITCH 向前倾斜运动图1-5 四旋翼飞行器前后运动图

(d) 偏航运动

偏航运动是四旋翼飞行器的自我旋转运动。如图 1-6 所示，当对角线上的一组螺旋桨的转速相同，而另一对角线上的螺旋桨转速不同时，由于产生的反扭力矩不能被相互抵消，飞行器将会发生自旋和转向。此时有F1=F3，F2=F4，F2+F4> F1+F3，并且F1+F2+F3+F4= G。（其中G为整个飞行器重量）

M2飞行控制模块M1F3 M3螺旋桨3螺旋桨4 M4YAW 逆时针旋转运动6

F2螺旋桨2螺旋桨1 ROLL 向左倾斜运动F2F1 M1飞行控制模块 M4F4

四旋翼飞行器左右运动图

F1 F4

F1F4

武汉纺织大学2014届毕业设计（论文） 图1-6

四旋翼飞行器旋转运动图

1.3.5 坐标系的建立

为了研究飞行器的姿态，通常使用坐标系来辅助分析。坐标系有地球坐标系、机体坐标系、速度坐标系以及旋翼坐标系等，不同坐标系间可通过转换矩阵进行转换和归一。下面介绍设计中使用到的两种坐标系。 (1) 机体坐标系

如图1-7所示，建立机体坐标系。该坐标系以机体为参考对象，以机身的重心为参考原点。X轴与前后螺旋桨连线平衡，前方指向X轴正方向；Y轴与左右螺旋桨连线平衡，右方指向Y轴正方向； Z轴与X轴、Y轴所在平面垂直，组成右手坐标系。

Z M1飞行控制模块 M2 XM3(2) 地球坐标系

地球坐标系指绝对水平坐标系，亦称NED坐标系或惯性直角坐标系，是三个互相垂直的向量轴（图1-8所示），满足右手正交法则，其原点与人体坐标系原点重合，N轴沿当地子午线指向地球正北方，E轴沿当地纬线指向地球正东方向，D轴指向地球中心，与重力方向重合。

M4Y

图1-7 机体坐标系

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N E D子午线 赤道

图 1-8 地球坐标系

(3) 两坐标系之间的关系

当选择地球坐标系作为参考时，两者之间的关系如图1-9所示。

Xbb YeZbXeOeZe图1-9 机体坐标与地球坐标之间的关系

图1-9中，Xb-Yb-Zb构成机体坐标系，Xe-Ye-Ze构成地球坐标系；机体坐标可以表示为机体相对于地球坐标旋转运动的结果，其运动过程可以分解为绕三个轴的运动来描述，产生的角度变换描述如下： ? 俯仰角(pitch)

当飞行器做前后运动时，飞行器就要产生俯仰姿态，相对于地球坐标系就是：飞行器在 X-Z 平面进行绕 Y 轴运动，产生的角度即俯仰角(pitch)。 ? 横滚角(roll)

当飞行器做左右运动时，飞行器就要产生横滚姿态，相对于地球坐标系就是：飞行器在 Y-Z 平面进行绕 X 轴转动，产生的角度即横滚角(roll)。 ? 偏航角(yaw)

当飞行器做旋转运动时，飞行器就要产生偏航姿态，相对于地球坐标系就是：

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