四軸飛行器
一種多旋翼飛行器
四軸飛行器又稱四旋翼飛行器、四旋翼直升機,簡稱四軸、四旋翼。這四軸飛行器(Quadrotor)是一種多旋翼飛行器。四軸飛行器的四個螺旋槳都是電機直連的簡單機構,十字形的布局允許飛行器通過改變電機轉速獲得旋轉機身的力,從而調整自身姿態。具體的技術細節在“基本運動原理”中講述。因為它固有的複雜性,歷史上從未有大型的商用四軸飛行器。近年來得益於微機電控制技術的發展,穩定的四軸飛行器得到了廣泛的關注,應用前景十分可觀。國際上比較知名的四軸飛行器公司有中國大疆創新公司、法國Parrot公司、德國AscTec公司和美國3DRobotics公司。
結構特性
電機1和電機3逆時針旋轉的同時,電機2和電機4順時針旋轉,因此當飛行器平衡飛行時,陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。
四軸飛行器是一個在空間具有6個活動自由度(分別沿3個坐標軸作平移和旋轉動作),但是只有4個控制自由度(四個電機的轉速)的系統,因此被稱為欠驅動系統(只有當控制自由度等於活動自由度的時候才是完整驅動系統)。不過對於姿態控制本身(分別沿3個坐標軸作旋轉動作),它確實是完整驅動的。
與直升機相比,四軸飛行器可以實現的飛行姿態較少,不過基本的前進、後退、平移等狀態都可以實現。但是四軸飛行器的機械結構遠遠比直升機簡單,維修和更換的開銷也非常小,這讓四軸飛行器有了比直升機更大的應用優勢。
為了保持飛行器的穩定飛行,在四軸飛行器上裝有3個方向的陀螺儀和3軸加速度感測器組成慣性導航模塊,可以計算出飛行器此時相對地面的姿態以及加速度、角速度。飛行控制器通過演演算法計算保持運動狀態時所需的旋轉力和升力,通過電子調控器來保證電機輸出合適的力。
垂直運動,俯仰運動,滾轉運動,偏航運動。
垂直運動
圖(a)
俯仰運動
圖(b)
滾轉運動
圖(c)
偏航運動
圖(d)
前後運動
圖(e)
側向運動
在圖(f)中,由於結構對稱,所以側向飛行的工作原理與前後運動完全一樣。
圖(f)
小型的四軸飛行器可以自由地實現懸停和空間中的自由移動,具有很大的靈活性。此外,因為它結構簡單,機械穩定性好,所以成本低廉、性價比很高。主要的應用是玩具、航模,以及航拍,新的應用也在不斷的拓展之中。
到2012年左右,國際上普遍認為四軸飛行器的控制已經不再是學術研究問題,而是成熟的技術。學術研究的方向也轉向了基於四軸飛行器做智能導航或者多飛行器的編隊控制。
四軸飛行器的智能導航指的是利用機器視覺技術、人工智慧技術讓四軸飛行器能像人一樣在複雜環境中活動。
多飛行器的編隊控制是指同時控制多個飛行器,或者讓多個飛行器自主編隊飛行。
世界上較為優秀的四軸飛行器研究機構有美國賓夕法尼亞大學、瑞士聯邦蘇黎世理工學院、中國香港科技大學。
Phantom精靈系列-DJI
條目 | 內容 |
上市時間 | Phantom1(2012年12月),Phantom2(2013年10月), Phantom2Vision+(2014年4月 |
起飛重量(Phantom2Vision+) | 1284g |
電池容量和飛行時間(Phantom2Vision+) | 5200mAh,約25分鐘 |
遙控通訊距離(Phantom2Vision+) | 500m-700m |
懸停精度(Phantom2Vision+) | 垂直:0.8m;水平:2.5m |
其他功能1-雲台(Phantom2Vision+) | 可控範圍-90度至0度 |
其他功能2-相機(Phantom2Vision+) | 有效像素:1400萬 最大解析度:4384x3288 錄像效果:1080p30fps或720p 錄像FOV:可調110度或85度 |
其他功能3-手機APP(Phantom2Vision+) | iOS/Android 實時圖像傳輸和FPV飛行 遠程控制相機和參數設置 相冊同步分享 |
X650Pro-Xaircarft
條目 | 內容 |
上市時間 | 2013年4月 |
最大起飛重量 | 3000g |
最大負載 | 1735g |
電池容量和飛行時間 | 1800g(含4S5800mAh電池)20分鐘 2500g(含4S5800mAh電池)14分鐘 |
飛行控制器 | SuperX |
懸停精度 | 垂直方向:±1.0m 水平方向:±2.0m |
雲台 | STELLA-“星雲” 雙軸無刷Gopro雲台 |
搭配相機 | Gopro系列運動相機 |
特點 | 可摺疊,便於攜帶。 更大負載能力,更長留空時間。 標配SuperX新一代飛行控制器,內置雲台增穩。 |
四軸飛行器作為時下最熱門的一種飛行器,已經越來越受到廣大科學愛好者和商業公司的關注,從amazon的用四軸飛行器為客戶投遞包裹的設想就可見一斑。可以說四軸飛行器未來的應用前景十分廣闊。
這裡所說的四軸飛行器不是單指四旋翼,是具有一個以上氣動旋轉軸的飛行器的俗稱。
筆者認為四軸飛行器未來發展方向主要有以下幾個方面:
一是可作為新概念交通工具。
早在二戰時,載人四軸的原型機已經被設計出來,但因為控制技術還跟不上,飛行器因不穩定而無法投入實際應用。
二是安保領域。
隨著人工智慧的不斷發展,配備高清攝像機、各種安保設備的四軸飛行器將廣泛應用在公安、消防、家庭和單位安保領域,四軸將成為極度智能、行動敏捷的電子警察、電子消防員、電子保安、電子管家,也許在不久的將來,你會因為有一個會飛的家庭照看機器人而感到無比的貼心和安全。
三是建築領域及其它高危作業環境。
TED大會上展示的四軸飛行器搭建建築的視頻也許不少愛好者都看過,這是相當有前景的應用,比起3D列印一座房子,用一群微小的四軸飛行器來構建龐大的建築更加切合實際和靈活髙效,也許有一天你路過建築工地,看到頭頂上不是一群建築工人在忙碌,而是一群嗡嗡作響的四軸飛行器在井然有序的工作,那個時候你可不要吃驚眼前看到的一切。