四旋翼飞行器结构和原理.docx

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四旋翼飞行器结构和原理

四旋翼飞行器结构和原理

1.结构形式 

   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，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的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。

结构形式如图所示。

.工作原理 

   四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而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，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。

    四旋翼飞行器的电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。

   在上图中，电机1和电机3作逆时针旋转，电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。

（1）垂直运动：

同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。

当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。

（2）俯仰运动：

在图（b）中，电机1的转速上升，电机3的转速下降（改变量大小应相等），电机2、电机4的转速保持不变。

由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转，同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。

（3）滚转运动：

与图b的原理相同，在图c中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。

（4）偏航运动：

旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可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。

反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。

在图d中，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，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，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，转向与电机1、电机3的转向相反。

（5）前后运动：

要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。

在图e中，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，反扭矩仍然要保持平衡。

按图b的理论，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。

（在图b图c中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。

） 

（6）倾向运动：

在图f中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

四轴飞行diy全套入门教程（从最基础的开始） 

首先声明本人也是菜鸟，此教程就是从一个菜鸟的角度来讲解，现在论坛上的帖子都突然冒很多名词出来，又不成体系，我自己开始学的时候往往一头雾水，相信很多新手也一样。

所以在这个帖子里面，我都会把自己遇到的疑惑逐一讲解。

【概述】

1、diy四轴需要准备什么零件

无刷电机（4个）

电子调速器（简称电调，4个，常见有好盈、中特威、新西达等品牌）

螺旋桨（4个，需要2个正浆，2个反浆）

飞行控制板（常见有KK、FF、玉兔等品牌）

电池（航模动力电池）

遥控器（最低四通道遥控器）

机架（非必选）

充电器（尽量选择平衡充电器）

2、四轴零件之间的接线与简单说明

4个电调的正负极需要并联（红色连一起，黑色连1一起），并接到电池的正负极上；

电调3根黑色的电机控制线，连接电机；

电调有个BEC输出，用于输出5v的电压，给飞行控制板供电，和接收飞行控制板的控制信号；

遥控接收器连接在飞行控制器上，输出遥控信号，并同时从飞行控制板上得到5v供电；

【基本原理与名词解释】

1、遥控器篇

什么是通道

通道就是可以遥控器控制的动作路数，比如遥控器只能控制四轴上下飞，那么就是1个通道。

但四轴在控制过程中需要控制的动作路数有：

上下、左右、前后、旋转

所以最低得4通道遥控器。

如果想以后玩航拍这些就需要更多通道的遥控器了。

  什么是日本手、美国手

遥控器上油门的位置在右边是日本手、在左边是美国手，所谓遥控器油门，在四轴飞行器当中控制供电电流大小，电流大，电动机转得快，飞得高、力量大。

反之同理。

判断遥控器的油门很简单，遥控器2个摇杆当中，上下板动后不自动回到中间的那个就是油门摇杆。

2、飞行控制板篇

一般简称飞控就是这个东西了。

飞控的用途

如果没有飞控板，四轴飞行器就会因为安装、外界干扰、零件之间的不一致型等原因形成飞行力量不平衡，后果就是左右、上下的胡乱翻滚，根本无法飞行，飞控板的作用就是通过飞控板上的陀螺仪，对四轴飞行状态进行快速调整（都是瞬间的事，不要妄想用人肉完成），如发现右边力量大，向左倾斜，那么就减弱右边电流输出，电机变慢，升力变小，自然就不再向左倾斜。

什么是x模式和+模式

购买飞控的时候老板都要问这个问题，刷买什么模式的，以上就是区别。

X模式要难飞一点，但动作更灵活。

+模式要好飞一点，动作灵活差一点，所以适合初学者。

特别注意，x模式和+模式的飞控安装是不同的（我只有kk飞控板，所以只能讲kk飞控）。

如果飞控板安装错误，会剧烈的晃动，根本无法飞。

选什么飞控好

个人意见初学的先来个kk飞控吧，最便宜，尝个鲜够用了。

电调篇

为什么需要电调

电调的作用就是将飞控板的控制信号，转变为电流的大小，以控制电机的转速。

因为电机的电流是很大的，通常每个电机正常工作时，平均有3a左右的电流，如果没有电调的存在，飞控板根本无法承受这样大的电流（另外也没驱动无刷电机的功能）。

同时电调在四轴当中还充当了电压变化器的作用，将的电压变为5v为飞控板和遥控器供电。

买多大的电调

电调都会标上多少A，如20a，40a这个数字就是电调能够提供的电流。

大电流的电调可以兼容用在小电流的地方。

小电流电调不能超标使用。

根据我简单测试，常见新西达2212加1045浆最大电机电流有可能达到了5a，为了保险起见，建议这样配置用30a或40a电调（大家用20a电调的也多），说买大一点，以后还可以用到其他地方去。

四轴专用电调是什么意思

因为四轴飞行要求，电调快速响应，而电调有快速响应和慢速响应的区别，所以四轴需要快速响应的电调。

其实大多数常见电调是可以编程的，能通过编程来设置响应速度。

所以其实并没有什么专用一说。

电调编程什么意思

首先要说明电调是有很多功能模式的，选择这个功能就是对电调编程。

编程的途径可以直接将电调连接至遥控接收机的油门输出通道（通常是3通道），按说明书，在遥控器上通过搬动摇杆进行设置，这个方法比较麻烦，但节约。

另外，还可以通过厂家的编程卡来进行设置（需要单独购买），方法简单，无需接遥控器。

为了保险，一定要将购买的电调设置一致，否则容易难于控制。

如：

电调的启动模式不一样，那么有些都转很快了，有些还很慢，这就有问题了。

注：

通过遥控器进行设置电调，一定要接上电机，因为说明书上说的“滴滴”类的声音，是通过电机发出来的。

我开始就是因为没有接电机，还疑惑怎么没声音，以为坏了。

无刷电机与螺旋桨篇

电机分为有刷电机和无刷电机，不要买错了，无刷是四轴的主流。

它力气大，耐用。

电机的型号含义

经越高。

又高又大的电机，功率就更大，适合做大四轴。

  通常2212电机是最常看人说什么2212电机，2018电机等等，到底是什么意思呢这其实电机的尺寸。

不管什么牌子的电机，具体都要对应4位这类数字，其中前面2位是电机转子的直径，后面2位是电机转子的高度。

注意，不是外壳哦。

简单来说，前面2位越大，电机越肥，后面2位越大，电机常见的配置了。

什么是电机kv值

每个无刷电机都会标准多少kv值，这个kv是外加1v电压对应的每分钟空转转速，例如：

1000kv电机，外加1v电压，电机空转时每分钟转1000转，外加2v电压，电机空转就2000转了。

桨的型号含义

同电机类似，桨也有啥1045,7040这些4位数字，前面2位代表桨的直径（单位：

英寸  1英寸=254毫米）后面2位是桨的角度。

什么是正反桨，为什么需要它

四轴飞行为了抵消螺旋桨的自旋，相隔的桨旋转方向是不一样的，所以需要正反桨。

正反桨的风都向下吹。

适合顺时针旋转的叫正浆、适合逆时针旋转的是反浆。

安装的时候，一定记得无论正反桨，有字的一面是向上的（桨叶圆润的一面要和电机旋转方向一致）。

电机与螺旋桨的搭配

这是非常复杂的问题，我自己也在研究当中，所以建议采用大家常见的配置吧，但原理这里可以阐述一下。

螺旋桨越大，升力就越大，但对应需要更大的力量来驱动；

螺旋桨转速越高，升力越大；

电机的kv越小，转动力量就越大；

综上所述，大螺旋桨就需要用低kv电机，小螺旋桨就需要高kv电机（因为需要用转速来弥补升力不足）

如果高kv带大桨，力量不够，那么就很困难，实际还是低俗运转，电机和电调很容易烧掉。

如果低kv带小桨，完全没有问题，但升力不够，可能造成无法起飞。

例如：

常用1000kv电机，配10寸左右的桨。

电池和充电器篇

为什么要选锂电池

同样电池容量锂电最轻，起飞效率最高。

电池的多少mah时什么意思

表示电池容量，如1000mah电池，如果以1000ma放电，可持续放电1小时。

如果以500mh放电，可以持续放电2小时。

电池后面的2s，3s，4s什么意思

代表锂电池的节数，锂电池1节标准电压为，那么2s电池，就是代表有2个电池在里面，电压为。

电池后面多少c是什么意思

代表电池放电能力，这是普通锂电池和动力锂电池最重要区别，动力锂电池需要很大电流放电，这个放电能力就是C来表示的。

如1000mah电池  标准为5c，那么用5x1000mah，得出电池可以以5000mh的电流强度放电。

这很重要，如果用低c的电池，大电流放电，电池会迅速损坏，甚至自燃。

多少c快充是什么意思

这个与上面的c一样，只是将放电变成了充电，如1000mah电池，2c快充，就代表可以用2000ma的电流来充电。

所以千万不要图快冒然用大电流，超过规定参数充电，电池很容易损坏。

怎么配电池

这与选择的电机、螺旋桨，想要的飞行时间相关。

容量越大，c越高，s越多，电池越重；

基本原理是用大桨，因为整体搭配下来功率高，自身升力大，为了保证可玩时间，可选高容量，高c，3s以上电池。

最低建议1500mah，20c，3s。

小四轴，因为自身升力有限，整体功率也不高，就可以考虑小容量，小c，3s以下电池。

（没玩过，不做建议）

平衡充电什么意思

如3s电池，内部是3个锂电池，因为制造工艺原因，没办法保证每个电池完全一致，充电放电特性都有差异，电池串联的情况下，就容易照常某些放电过度或充电过度，充电不饱满等，所以解决办法是分别对内部单节电池充电。

动力锂电都有2组线，1组是输出线（2根），1组是单节锂电引出线（与s数有关），充电时按说明书，都插入充电器内，就可以进行平衡充电了。

机架篇

机架的轴长短有没有规定

理论上讲，只要4个螺旋桨不打架就可以了，但要考虑到，螺旋桨之间因为旋转产生的乱流互相影响，建议还是不要太近，否则影响效率。

这也是为什么四轴用2叶螺旋桨比用3叶螺旋桨多的原因之一（3叶的还有个缺点，平衡不好做）

【实战调试】

安装好四轴以后是需要做一些准备工作的，这里以我用过的kk飞控为例

Kk飞控的连接