四轴飞行器的结构组成和动力学模型

白昭++尤国强++李乐

摘要：该文介绍了四轴飞行器的基本结构组成形式，并在此基础上根据牛顿第二定律和欧拉方程建立了四轴飞行器的系统动力学模型。

关键词：四轴飞行器；结构形式；动力学模型

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）09-0239-02

1 引言

四轴飞行器是一种旋翼飞行器，它利用四个电机分别控制其四个螺旋桨片的旋转，从而产生上升的动力，并实现指定路径飞行或远程遥控飞行的功能。随着四轴飞行器技术的不断发展，该类飞行器目前已在军事和民用领域得到了广泛应用。使用四轴飞行器参与空中航拍，侦察探测、救灾抢险、通信联系等任务，不仅成本低廉，方便灵活，而且还能避免危险环境下的人员伤亡。

四轴飞行器与传统的固定翼飞行器相比，具有以下显著优点：1）机械结构复杂度低，仅需控制四个电机的转速就可实现飞行中的自平衡控制；2）由于没有固定翼飞行器较长的机翼，故四轴飞行器的体积很小，从而可应用于更为复杂的空间环境；3）平衡控制系统具有高度的智能化，可实现多种复杂的飞行姿态，对外界环境的适应性强。

上述这些优势，使得四轴飞行器具有了广阔的应用前景。另外，由于四轴飞行器飞行控制设计中还包含空气动力学、数据滤波处理、平衡控制算法等复杂技术，因此，对四轴飞行器的研究已逐渐成为当前飞行器研究领域的热点问题。

2 四轴飞行器的结构组成

四轴飞行器通常由安装在刚性十字结构末端的四个独立的驱动电机螺旋桨系统组成，它相当于由四个直升机的螺旋桨组合而成。在这四支螺旋桨中，位于两条对角线上的螺旋桨具有不同的结构形式：其中一条对角线上的螺旋桨为反桨，由电机驱动产生顺时针旋转，另外一条对角线上的螺旋桨为正桨，由电机驱动产生逆时针旋转。这样的结构设置，可以使正、反两组螺旋桨产生的顺时针和逆时针扭矩相互抵消，从而不用再添加其他结构设施来克服螺旋桨旋转产生的自旋扭矩，达到了简化飞行器结构复杂度、减轻飞行器重量，增加飞行灵活性的目的。当四轴飞行器在飞行状态时，只需要不断变化电机转速，使正、反两组螺旋桨产生适当的升力和扭矩，即可令飞行器平稳飞行，并进而实现不同的飞行姿态。

四轴飞行器的简要结构示意图如图1所示。

由图可知四轴飞行器的主要组成结构为：

1）螺旋桨和刚性支架：该部分包含四个螺旋桨，以及用于固定螺旋桨的十字刚性支架。其中螺旋桨包含一对正桨和一对反桨，它们分别安装固定于十字刚性支架的4个末端位置。

2）驱动电机：该部分包含四个用于驱动螺旋桨旋转产生飞行升力的驱动电机，通过控制这四个驱动电机的转速，就可以控制整个飞行器的飞行姿态，并实现四轴飞行器的平稳飞行。

3）飞控平台：该部分包含可提供飞行姿态数据的传感器、用于处理传感器数据和控制电机转速的微处理器以及相应的PCB集成电路板。

4）电源：该部分包含为四轴飞行器驱动电机和飞控平台提供电力支持的电池和稳压电路。

与常见的单轴直升机相比，四轴飞行器具有如下优点：

1）四轴飞行器的四个螺旋桨可以产生比单轴螺旋桨更大的飞行升力，因此四轴飞行器具有更大的飞行负载能力。

2）四轴飞行器的四个螺旋桨轴对称分布，在空间中沿不同方向的运动耦合度低，因此对飞行姿态的控制更为容易，可实现悬停、垂直翻转、水平旋转等飞行动作。

3 四轴飞行器系统的动力学模型

四轴飞行器的飞行姿态通常可以用横滚角、俯仰角和偏航角这三个参量来表示。其中，横滚角为飞行器左右横向侧身飞行时，其横轴与全局坐标系水平面之间的夹角；俯仰角为飞行器前后俯仰侧身飞行时，纵轴与全局坐标系水平面之间的夹角；偏航角为飞行器全局坐标系水平面绕铅垂线旋转的角度。

为建立四轴飞行器的动力学模型，需要首先给出飞行器系统局部坐标系和地球全局坐标系之间的转换关系式，其中，假设飞行器的局部坐标系为b（x，y，z），地球全局坐标系为e（x，y，z）。另外，如图2所示，分别用[φ]、θ和[?]来表示四轴飞行器的横滚角、俯仰角和偏航角。