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直升機(jī)型無人機(jī)飛行原理

2016-01-31 17:11 性質(zhì)：轉(zhuǎn)載 作者：無人機(jī)中的城堡
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首先稍微說明直升機(jī)（Helicopter）和旋翼機(jī)（Rotorcraft）之間的“區(qū)別”。 維基百科的詞條中Rotorcraft包含Helicopter，Cyclog...

首先稍微說明直升機(jī)（Helicopter）和旋翼機(jī)（Rotorcraft）之間的“區(qū)別”。

維基百科的詞條中Rotorcraft包含Helicopter，Cyclogyro/Cyclocopter，Autogyro，Gyrodyne，Rotor Kite。但有時(shí)會(huì)直接稱呼直升機(jī)型飛行器為Rotorcraft，大多見于外文技術(shù)書籍中。

有時(shí)又會(huì)將旋翼機(jī)和直升機(jī)完全分開看做不同概念，這樣的做法在國(guó)內(nèi)的工程界和學(xué)術(shù)界中比較普遍。例如國(guó)內(nèi)一般在談?wù)撔頇C(jī)時(shí)，特指“自轉(zhuǎn)旋翼飛行器”（Autogyro），但在上面兩種國(guó)外的分類中，Autogyro只是旋翼機(jī)的一個(gè)子類。Autogyro飛行器的代表產(chǎn)品如美國(guó)GRON公司的獵鷹4型

或者常見的愛好者自制旋翼機(jī)：

關(guān)于旋翼機(jī)的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、姿態(tài)控制等內(nèi)容MR.城堡會(huì)在本系列后面的文章中作為單獨(dú)專題寫出。

今天這篇文章，MR.城堡就只限于下面這類小型直升機(jī)型無人機(jī)的相關(guān)內(nèi)容。

1.機(jī)身結(jié)構(gòu)

小型RC直升機(jī)的組成部分包括：主旋翼，尾槳，垂尾，平尾，F(xiàn)lybar（副翼），主旋翼結(jié)構(gòu)（自動(dòng)傾斜器，Bell-Hiller結(jié)構(gòu)等），起落架，機(jī)身。讀者可以比照下面這兩款在實(shí)際研究項(xiàng)目中使用的直升機(jī)型無人機(jī)來了解該機(jī)型結(jié)構(gòu)。

從上到下分別為HeLion和SheLion無人機(jī)。特別強(qiáng)調(diào)小型直升機(jī)是因?yàn)殡S著飛行器尺寸的變化，氣動(dòng)參數(shù)差別很大，在嚴(yán)肅的飛行器設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)使用Scale ratio這個(gè)比值對(duì)氣動(dòng)方程中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2.動(dòng)力與姿態(tài)控制

直升機(jī)型無人機(jī)包括六自由度運(yùn)動(dòng)過程：慣性坐標(biāo)系下三個(gè)直線方向，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下三個(gè)姿態(tài)，俯仰，橫滾，偏航（縱向，橫向，垂向）。直升機(jī)姿態(tài)控制力矩來自于主旋翼和尾槳。拋開各姿態(tài)中的耦合因素，主旋翼提供俯仰和橫滾所需的姿態(tài)控制力矩，尾槳提供偏航力矩。直升機(jī)型無人機(jī)如果將揮舞角看做內(nèi)部狀態(tài)則degree=5:平面線性位移(x,y,z)，平面線性速度(u,v,w)，姿態(tài)角(phi,theta,psi)，角速度(p,q,r)，揮舞角(a,b)。

主旋翼提供拉力是很明顯的，但是如何將拉力投影到縱向和橫向上并產(chǎn)生姿態(tài)控制力矩呢？直升機(jī)是通過主旋翼?yè)]舞實(shí)現(xiàn)的。直升機(jī)主旋翼槳尖平面（Tip Path Plane）不是固定在一個(gè)二維平面中的，而是上下?lián)]舞，以此平衡直升機(jī)主旋翼左右不平衡受力。揮舞產(chǎn)生橫縱揮舞角，主旋翼拉力就是通過橫縱揮舞角投影在其它方向上，并通過槳轂產(chǎn)生力矩控制直升機(jī)姿態(tài)。

主旋翼通過自動(dòng)傾斜器調(diào)節(jié)周期變距實(shí)現(xiàn)揮舞運(yùn)動(dòng)。上圖為自動(dòng)傾斜器（十字盤）以及常見的Bell-Hiller系統(tǒng)。通過這樣的結(jié)構(gòu)將伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)變化為傾斜器角度變化，再控制槳距角發(fā)生變化，最終將主旋翼的升力投影在運(yùn)動(dòng)方向上驅(qū)動(dòng)直升機(jī)實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向上的直線運(yùn)動(dòng)。

上圖是MR.城堡認(rèn)為非常漂亮的圖片，一張圖就將小型RC直升機(jī)硬件結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的非常清晰。RC直升機(jī)用四個(gè)伺服電機(jī)控制姿態(tài)，一個(gè)私服電機(jī)控制油門?？刂谱藨B(tài)的伺服電機(jī)中：Aileron,Elevator,Collective（關(guān)于接收機(jī)接法請(qǐng)參照MR.城堡之前的系列文章：城堡里聊無人機(jī)：不同機(jī)型飛行原理（一））三個(gè)伺服電機(jī)和十字盤連接，控制總距，橫縱周期變距；Rudder控制尾槳，現(xiàn)在都會(huì)連接Yaw rate feedback controller對(duì)RC直升機(jī)進(jìn)行“鎖尾”。

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