一款油动四轴飞行器设计思路

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一：实现姿态保持和操控的前提条件（飞行器必须遵从的设计和制作要求）

1. 整个飞行器及其可能的载荷，必须将重心安置在飞行器中轴上，水平面下方（两个主螺旋桨的正下方）。
2. 邮箱位置的设计也要确保满油和空油情况下，不影响上一条的要求。可以放在中心轴最低的位置。
3. 两个主螺旋桨除了螺距相反，旋转反向之外，其他的物理特征（质量，尺寸，形状，空气动力参数）尽可能一致。确保同样转速下，升力一致，反向自转力相互抵消。（不是绝对，但是力求尽量）。
4. 两个辅助螺旋桨螺距可变，旋转反向。当飞行器处于水平状态时，两个辅助螺旋桨的螺距同时为零（不提供上升或下降力）；当飞行器发生前后倾斜时，两个辅助螺旋桨的螺距同时/对称地 发生变化，使抬高一端产生下拉力，同时在压低一端产生上升力，最终让飞行器恢复到水平状态。由于两个辅助螺旋桨是对称地产生校正力和自旋力，所以这样的校正动作不会导致飞行器自旋（产生的影响十分微弱）。

二 ：如何保持飞行器的悬停姿态

     特别说明下：有两套方案来实现悬停 第一种机械部分稍微复杂点，对伺服电路的要求不高，用现有油直的的伺服系统就可解决。 第二种 机械部分简单，就用两个辅助螺旋桨实现所有动作 悬停/移动  ，但是需要专门制作伺服系统（技术难度不大，简易单片机就可实现）。
下面我分别说明下。
     第一种 简易悬停控制模式 （相对容易加工，控制结果不太精确，做原型机测试还是足够的）
1. 如何保持前后方向的水平？
在飞行器中安装类似飞蚊平衡棒的小型悬锤（一端活动与机架链接，另外一端是小铁球，始终指向地面），小型悬锤有连杆与两个辅助螺旋桨的螺距控制杆连接,最终实现这样的效果： 飞行器前倾时，由于悬锤的作用，使前端的辅助螺旋桨上升力加大，同时后端的辅助螺旋桨下拉力加大。这样就实现了自动水平保持！在上述系统中增加阻尼装置，避免“震荡”的出现。

2. 如何保持左右方向的水平？
         在飞行器的两个主螺旋桨下方安装导向翅片（百叶窗），每个主螺旋桨下方各安装一组，左右偏转量受舵机控制，可以分别控制两个主螺旋桨的输出方向（可以让部分气流转向左边或者右边）。
         理论上讲，飞行器的重心很低且力矩相对较大，如果发生飞行器左右倾斜时，由于重力的作用，这个问题会被自动的校正。由于存在这种机制，所以飞行器左右倾斜/发生左右平移的力量很小，只需要很少的力就可以校正。具体运作模式如下： 假如有微量偏差导致飞行器向左倾斜，那么飞行器将向左平移，此时人工微调导向翅片的左右偏转角度，达到稳定（不再出现平移）后加以固定，作为导向翅片的初始位置。经过以上操作后，可以让飞行器基本不出现水平移动。（轻微的水平移动可以通过人工调校来动态校正）

3. 如何避免飞行器发生自旋?
         本飞行器的设计出发点就是螺旋桨对称原则，所以导致飞行器发生自旋的力量十分轻微（考虑到工艺误差，气流不均衡等因素），采用模型电动直升机的伺服系统来解决。具体步骤：在本飞行器中安装  模型电动直升机的伺服系统（电子陀螺仪，伺服电路，尾桨螺距控制舵机）。工作原理：当飞行器发生自旋，电子陀螺仪检测到旋转加速度，信号经伺服电路运算放大，控制尾桨螺距控制舵机动作改变导向翅片的角度（这里，只需要改变后面位置的主螺旋桨的导向翅片），此时导向翅片输出气流的反向作用力与 飞行器的自旋力相抵消，从而控制住自旋。


    通过以上控制机制，可以让飞行器保持在悬停姿态。（与传统直升机相比，操作相当容易，没有专门培训过的人都可以实现；另外，维持悬停姿态需要的额外能量很少，意味着效率很高）

  第二种 复杂的悬停控制模式

   需要在飞行器中安装 X轴Y轴的水平传感器，专门飞行控制电路，两个辅助螺旋桨矢量控制舵机。当飞行器发生倾斜时，两个辅助螺旋桨在矢量控制舵机的控制下，作出组合动作（其机制与 第一种模式的原理一样，可以省略掉导向翅片（百叶窗））。从而实现姿态自动控制。这样的控制方式更加精确可靠，同时，由于省略了不少机械装置，飞行器的重力更轻，工作更加稳定！




三 ：如何让飞行器的移动（前进后退，左右平移，旋转）
1.  前后移动   
居于前面悬停的控制原理，人工控制飞行器的前后倾角————轻微前倾，可以让飞行器前进，反之后退。此时飞行器的姿态保持功能依然工作，确保飞行器维持住我们需要的倾角（不会超过，也不会不足）,从而维持飞行器匀速前进.

2.  左右平移   
居于前面悬停的控制原理，人工控制飞行器导向翅片（百叶窗）的左右偏转（此时，只改变前面主螺旋桨的导向翅片）————轻微右偏，由于反向作用力，飞行器将向左平移，此时，防止飞行器自旋的系统（电子陀螺仪，伺服电路，尾桨螺距控制舵机）依然正常工作，所以飞行器做的动作是没有自旋的平行移动。

4. 可控的旋转   
               在需要飞行器作出旋转动作时，本飞行器的动作过程与 模型电动直升机的动作过程相同。旋转操作杆推动 -----》  电子陀螺仪解锁 ------》  后面主螺旋桨的导向翅片（百叶窗）偏转 -------》  达到旋转的效果  ---》松开旋转操作杆  -------》电子陀螺仪恢复锁定  ------- 》  飞行器恢复到姿态保持模式




     如果采用  第二种  电子化复杂的姿态保持模式

          由飞行器专门的单片机进行协调控制（去除导向翅片（百叶窗）的情况下），让两个辅助螺旋桨作出协调的组合动作，实现飞行器的姿态控制。

（所谓协调，这里举例说明： 当飞行器需要作出旋转动作的时候，需要改变辅助螺旋桨的矢量，此时飞行器专门的单片机需要在改变变辅助螺旋桨矢量的同时，加大该变辅助螺旋桨的螺距增加输出的提升力，弥补矢量改变造成的提升力损失。  其他方面也存在同样问题，所有校正因素都需要输入 飞行器的单片机，包括校正的线性关系）