■伺服控制与应用
SERVO CONTROL AND APPLICATION
殊胜诃子二轴E行器的丿£本0行方式研究
武汉理工大学智能制造与控制研究所李大钧李浩吴航薛浩然李波
武汉理工大学工程训练中心郑卫刚
摘要
电子数据系统
飞行性能的优异基本取决于飞机结构和飞行原理，二轴飞行器不仅有高速飞行、垂直 起降和悬停等功能，而且基本具备多旋翼飞行器、固定翼飞行器和直升机的优点。而 蜜饯LH目前并未到二轴飞行器的飞行原理介绍，所以本文介绍了二轴飞行器的结构形式和
垂直运动、前后运动、横滚运动和偏航运动四种基本飞行方式的飞行原理。 关键词
二轴飞行器；飞行结构；飞行方式
1发展背景
目前，飞行器仍处于科研领域向市场应用发展的初级阶段，虽然已经在军事和民用领域被广泛应用，但因各项技术尚未突破和性能尚未完善，所以并未完全发挥出其应有的巨大影响力。据估计，在未来的20-50年内，智能化飞行器必将随着经济社会的发展而真正崛起。
其中，四旋翼飞行器（如图1所示）飞行和控制原理已有完整的系统理论，而其因需要动力系统较多而造成质量大、电路控制复杂、续航时间短和载重量小等缺点；为了解决由于驱动模块较多造成的系列问题，众多无人机发烧友将目光转投向动力系统较少的二轴飞行器（如图2所示），其具有速度快、噪声小、振动小、航程远、载重大和油耗率低等优点。目前，已有双旋翼横列式和双旋翼纵列式等二轴飞行器结构，但并未查到相关飞行原理的论文。因此，本文主要介绍二轴飞行器结构形式和基本飞行方式的飞行原理。2分类介绍
二轴飞行器从螺旋桨布局方式上可分为横列式双旋翼和纵列式双旋翼两类。
横列式双旋翼飞行器的典型代表是V-22倾转旋翼机，如图3所示。两个旋翼分别为同尺寸同结构的正反桨，处于同一平面时产生垂直该平面向外的推力，而扭矩相抵消。其旋翼安装结构采用可变位形式，
机翼两端各有一可变向的旋翼座推进装置，整个推进装置可绕机翼轴由朝前到朝上到再朝后之间进行180。转动变向，并能固定在所需方向；而旋翼与旋翼座之间有万向云台装置，旋翼可绕万向云台朝全方位转动并固定在所需方向。因此产生朝向各个方向的推力，这个转换过程一般在十几秒之内快速完成。横列式双旋翼飞行器综合了固定翼无人机与直升机无人机的优点，既具有涡轮螺旋桨飞机高速飞行的功能，又具有普通直升机空中悬停和垂直起降的功能。
纵列式双旋翼的代表有支奴干直升机，如图4所示。
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《智能机器人》April,2019
纵列式的两个旋翼分别为同尺寸同结构的正反桨，处于同
一平面时产生同向的推力，而扭矩相抵消。两副纵列反向
旋转的主旋翼都可绕万向云台全方位转动并固定在所需方
向，分别位于机头和机尾的上方，呈前低后高配置，减小
机身长度又使桨叶互不干扰。其适应能力、运输能力和抗 毁伤能力较直升机均有明显提升。
3飞行方式
防褥疮垫下文介绍的是双旋翼横列式的二轴无人机的结构形式和飞行方式的原理。
3.1结构形式
双旋翼横列式的二轴无人机的结构形式与固定翼飞行器相似，机翼位置和后掠角等参数不变，但机翼结构有较大区别。双旋翼横列式的二轴无人机机构包括机翼、机身和尾翼。机身呈流线型，减小飞行阻力。尾翼位于机身尾部，包括控制飞行器航向运动的垂直尾翼和控制飞行器俯仰运动的水平尾翼，整个尾翼用于平衡、稳定和操纵飞行姿态。一对机翼有同样结构和尺寸且位于同一高度平面，两个旋翼座和旋翼对称分布在的机翼末端。机身的重心处于两个旋翼连线的中心，在两侧旋翼提供升力的条件下使机身前后保持平稳。两副旋翼均可随旋翼座绕旋翼轴完成从朝前至朝上再至朝后的180。倾转并固定在所需方向，而旋翼座与旋翼之间有万向云台，使旋翼可绕万向云台朝任意方向旋转并可固定在所需方向上，如图5所示。
3.2工作原理
二轴飞行器左右两侧分别为正反桨，左侧的电机作顺时针旋转，右侧的电机作顺时针旋转；当两旋翼位于同一平面时可提供相同朝向的推力，并且陀螺效应和空气的动力扭矩效应均被抵消。通过调节电机转速实现升力数值的变化、通过调节舵机控制旋翼轴的倾转使旋翼转至要求方向，电机和舵机配合控制机身倾转角度、旋翼座和旋翼朝向，从而控制飞行姿态和飞行速度。根据运动效果不同，分为以下垂直运动、前后运动、横滚运动和偏航运动四种飞行方式。
3.2.1垂直运动
两副旋翼轴均铅垂朝上，使两副旋翼位于水平面并产生朝向为上的升力。当外界扰动量为零时，两个电机的输出功率同时增加，旋翼转速增加，旋翼产生的拉力增大，当总拉力足以克服整机重力时，二轴飞行器则垂直起升；反之，两个电机的输出功率减小，总拉力小于整机重力时，二轴飞
图1四轴飞行器
银包金图2二轴飞行器
图4支奴干直升机
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图5横列式二轴飞行器的的结构形式行器则垂直下降，直至平衡落地。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力恰好与飞行器的自重相等时，飞行器处于同一水平面保持悬停状态。垂直运动的关键是保证重心稳定和两个旋翼转速同步。原理图如图6所示。
3.2.2前后运动
保持重心位置不变，一对旋翼座绕旋翼轴转至上前侧，旋翼由电机带动旋转产生上前侧的拉力，分解成向上和向前两个方向的的拉力，而两个反扭矩相互抵消，因此整个二轴飞行器实现前进运动。电机的输出功率不变，因为旋翼方向改变，而产生的向上的拉力减小，而由于惯性的影响，二轴轴飞行器机头稍低，机尾稍高，产生机身呈俯首状；而这个状态是瞬时的，增大电机的输出功率可使机身保持水平。当外界扰动量为零时，两个电机的输出功率同时增加，旋翼转速增加，旋翼产生的拉力增大，向上的拉力足以克服机身自重时，二轴飞行器则前进；若继续增大电机的输出功率，二轴飞行器前进并且上升。原理图如图7所示。二轴飞行器的一对旋翼座绕旋翼轴转至斜后侧，同理产生向上和向后两个方向的拉力，而两个反扭矩保持平衡，整个二轴飞行器实现后退运动；同样机身因惯性影响呈仰首状。当外界扰动量为零时，两个电机的输出功率同时增加，旋翼转速增加，旋翼产生的拉力增大，
向上的拉力足以克服机身自重时，二轴飞行器则后退。
3.2.3横滚运动
机身倾斜，旋翼座垂直机身平面朝上，两个旋翼所在平面和机身平面一致。两个旋翼产生垂直旋翼平面向外的拉力，分解为向左或向右和向上的拉力。当外界扰动量为零时，两个电机的输出功率同时增加，旋翼转速增加，旋翼产生的拉力增大，向上的拉力足以克服机身自重时，二轴飞行器则实现水平面的横滚运动。两个电机输出功率增大，直至产生的向上拉力大于自重平衡，则二轴飞行器边上升边横滚；如果两个电机输出功率减小，则二轴飞行器边下降边横滚。原理图如图8所示。
3.2.4偏航运动
保持重心在水平面内不变，二轴飞行器的一个旋翼座朝斜前方，另一个旋翼座绕旋翼轴朝斜后方，两个旋翼均与旋翼座垂直，两个电机所在平面与机身夹角相同。当外界扰动量为零时，两个电机的输岀功率同时增加，使两个旋翼产生的向上拉力的合力与自重平衡，而两个旋翼分别产生形成力偶的向前向后的拉力，使机身实现偏航运动。原理图如图9所示。
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4优势分析
常见的飞行器通常被分为固定翼(如图10所示)、直
升机(如图11所示)和多旋翼(四旋翼为主流如图12所示)
和二轴飞行器。
相比固定翼无人机和直升机无人机，多旋翼飞行器在
操控性、可靠性和勤务性三个方面有着明显优势，但在续
航时间和载重量方面不如固定翼飞行器和直升机。
对于前三种机型，性能优异基本取决于飞机结构和
飞行原理，飞行性能获得突破的难度系数较大。而二轴飞行器可以解决由于驱动模块较多而引起的质量大、电路控制复杂和续航时间短等一系列问题，不仅在操控性、可靠性和勤务性三个方面和四旋翼有相同优势，而且在续航时间和载重量方面优于四旋翼无人机，兼具了三种机型的长处，此外还具有
橡胶还原剂速度快、航程远、载重大、油耗率低、振动小和噪声小的优点。
5结诒
分析多旋翼飞行器、固定翼飞行器和直升机的优缺点，我们发现二轴飞行器飞行性能优异，基本具备三者的优点，不仅操控性、可靠性和勤务性好，而且续航时间长且载重量大。本文介绍了二轴飞行器的结构形式，并对垂直运动、前后运动、横滚运动和偏航运动四种基本飞行方式的飞行原理做出详细分析，为二轴飞行器的广泛应用和发展提供了新的契机。
参考文献：
[1]代君，管宇峰，任淑红.多旋翼无人机研究现状与发展趋势探讨U].赤峰学院学报(自然科学版),2016,32(16):22-24.
[2]郑卫刚，林舒鑫，吴昊，饶昆鹏，李君宇，刘洪志.城市消吩应急无人机系统U].智慧工厂,2018(01):66-68+71.
[3]杨则允，李猛，张全等.四旋翼无人机控制系统设计与实现0].科技创新与应用,2018(34):105-106+109.
[4]郑卫刚.简述智能机器人及发展趋势展望un智能机器人,2016(04):41-43.
[5]李玉珠，郑卫刚.浅谈一流大学工程训练中心软实力及巧实力建设0].网友世界,2012(12):56-58.图9偏航运动的飞行力学示意图
图10固定翼飞行器
图11直升机
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