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固定翼无人机和旋翼无人机的区别

发布时间:2019-07-27 03:54 来源:未知 编辑:admin

  多旋翼飞行器是一类通过多个定距桨(螺旋桨)正反旋转与转速控制提供飞行器升力与飞行器姿态调整。这样的定义方式使我们准确了解多旋翼飞行器的旋翼结构、升力来源、姿态控制方式。

  任何飞行器都可以分为三个部分:控制器,执行器,反馈环节。控制器包括飞控,接收机;执行器包括电调,直流电机,定距正反桨;反馈环节就是传感系统,一般包括两大类:飞行器姿态传感系统,外部环境感知系统。

  四旋翼飞行器正反桨两两成对,分别向不同方向旋转,平衡扭矩并向旋翼“下方”推送气流。通过成对变化定距桨旋转速度,调整入流量来实现飞行器姿态控制。

  一般而言,四旋翼飞行器有两种飞行模式,上面介绍的是X型控制结构,也是当下使用较多的控制方式。除此之外还有十字型,两者原理大同,细节小异。

  至于八旋翼,十六旋翼甚至更多,都是通过成对正反桨平衡扭矩,提供升力,调整姿态。

  多旋翼机型确实降低了商品无人机的门槛。然而在很多飞行器设计师的眼中多旋翼飞行器是一个非常“奇怪”的存在,它的缺点实在非常多,却因同样具有非常鲜明的优点而成为当下无人机市场的宠儿。

  从飞行器操作者的角度来看,多旋翼是完美(简单)的被控对象(虽然它还是非线性,非最小相位系统)。

  多旋翼飞行器可以很容易产生统一方向的气流推送,因此具备优秀的VOTL能力与定点悬停能力,而这是一般固定翼飞机望尘莫及的。

  同时对称的旋翼布局使得其操控简单直接,姿态调整时只需成对改变旋翼转速,就可提供非常“直接”的姿态力矩。而其它旋翼机则一般会有一个复杂的动力学过渡过程(这样描述其实很不专业,却比较容易理解),增加了炸鸡以及飞行器周围人员的风险,对操作者的控制要求提升了很多。

  而且多旋翼飞行器的姿态变化方式使得该机型直接采用定距桨,相比于直升机的变距桨在机械设计结构,控制难度,实现成本,姿态平稳方面都有很大提升。

  首先,其气动效率非常糟糕。固定翼是上帝为飞行生物设计的完美的飞行器结构。固定翼在空中可以借助气流产生升力,姿态变换通过“借力”实现(还是要有执行器控制相应的机械结构,但省“力”很多),螺旋桨或者喷气发动机只提供额外飞行速度。而多旋翼需要安装与旋翼数相同的电机来提供升力,在飞行过程中完全没有办法借助空气动力。姿态变化,飞行速度全部来自于机载动力,自身能量消耗巨大,效率之低令人发指。

  这也是为什么在讨论翼型时基本都是关于固定翼和直升机的,多旋翼的定距桨也就是谈一谈扭矩,旋翼尺寸和电机选择方面的匹配罢了。

  其次,在机动性方面,直升机型飞行器机动速度与飞行包络都明显优于多旋翼飞行器,如果在机动过程中充分考虑直升机机身与主旋翼之间的作用力耦合,并在控制算法中巧妙地加以利用则可以增强直升机的机动性,降低能耗。但对于多旋翼而言,机动过程既不美观也不经济。

  最后,当多旋翼飞行器“大型化”也就是Scale number(尺寸系数)上升后,意味着需要提供更大的升力从而要求更大尺寸的定距桨,这不但面临着更大动力模块的难题,同时众多大尺寸旋翼在一个平面中旋转会使实际控制变更加困难。

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