[發明專利]一種四旋翼無人機演示儀

在審

• 申請號: 201610830813.2
• 申請日: 2016-09-19
• 公開（公告）號: CN107093344A
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發明（設計）人: 馬國利
• 申請（專利權）人: 濱州學院
• 主分類號: G09B9/08
• 分類號: G09B9/08
• 代理公司: 北京一格知識產權代理事務所(普通合伙)11316
• 代理人: 滑春生,趙永偉

技術領域

本發明涉及一種演示儀，尤其涉及一種四旋翼無人機演示儀，屬于無人機演示測試技術領域。

背景技術

四旋翼飛行器是一種結構新穎、性能卓越的新型無人飛行器，涉及眾多領域的高、精、尖技術，具備重要的應用價值，關于四旋翼飛行器不少人對它有一種神秘感，并不能理解這樣個一臺機器是如何在空中靈活運動的。隨著無人機行業的快速發展，現在大家都把重點放在了無人機性能、功能以及應用方面的研究，卻忽略了普通人并不知道四旋翼為什么能夠再空中靈活運動，這使得四旋翼雖然走進了千家萬戶，我們對它卻還是一知半解，不利于提高我們的國民素質。

發明內容

本發明就是針對上述問題，提出一種四旋翼無人機演示儀，該演示儀通過簡單的機械構造以及數學模型的建立，能夠比較清楚直觀地演示多旋翼的飛行運動原理。

為達到上述技術目的，本發明采用了一種四旋翼無人機演示儀，包括一十字型剛性支架，所述十字型剛性支架底部的中間位置設有和地面連接的支撐桿，所述十字型剛性支架的四個端部沿逆時針方向分別安裝有第一電機、第二電機、第三電機和第四電機，所述四個電機上分別水平連接有第一旋翼、第二旋翼、第三旋翼和第四旋翼；所述十字型剛性支架的中間 位置設有和四個電機電性連接的飛行控制計算機，并且所述飛行控制計算機上設有外部設備通訊模塊。

進一步的，所述第一電機、第二電機、第三電機和第四電機均設有一LED燈。

進一步的，所述第一、第二、第三和第四電機通過四個輸入力可實現六個狀態輸出，分別為垂直運動狀態、俯仰運動狀態、滾動運動狀態、偏航運動狀態、前后運動狀態以及側向運動狀態。

進一步的，所述四旋翼無人機演示儀的數學模型如下：

首先建立兩個基本坐標系：慣性坐標系E(OXYZ)和飛行器坐標系

B(oxyz)，分別定義歐拉角如下：

偏航角ψ：Ox在OXY平面的投影與X軸夾角；

俯仰角θ：Oz在OXZ平面的投影與Z軸夾角；

翻滾角Oy在OYZ平面的投影與Y軸夾角。

飛行器坐標系到慣性坐標系的轉換矩陣為

接著對四旋翼飛行器做出如下假設：

①四旋翼飛行器為均勻對稱的剛體；

②慣性坐標系E的原點與飛行器幾何中心及質心位于同一位置；

③四旋翼飛行器所受阻力和重力不受飛行高度等因素影響，總保持不變；

④四旋翼飛行器各個方向的拉力與推進器轉速的平方成正比例；

定義Fx、Fy、Fz為F在飛行器坐標系三個坐標軸上的分量；p、q、r 為角速度ω在飛行器坐標系三個坐標軸上的分量；

牛頓第二定律和飛行器動力學方程[9]可分別表述為向量形式：

式中，F為作用在四旋翼飛行器上的外力和，m為四旋翼飛行器的質量，V是飛行器的速度，M為四旋翼飛行器所受力矩之和，H為四旋翼飛行器相對于地面坐標系的絕對動量矩，重力G，阻力D_i，單個旋翼的升力T_i表示如下

G＝mg，

根據受力分析，牛頓第二定律以及飛行器動力學方程可得到線運動方程，表述如下

根據歐拉角與飛行器角速度之間的關系可得：

假設四旋翼飛行器質量和結構均勻對稱，所以，其慣性矩陣可定義為對角陣I；

通過動量矩的計算，可得到M在飛行器坐標系三個軸向分量Mx、My、Mz的角運動方程：

定義U₁,U₂,U₃,U₄,為四旋翼飛行器的四個獨立控制通道的控制輸入 量：

式中，U₁為垂直速度控制量，U₂為翻滾輸入控制量，U₃為俯仰控制量，U₄為偏航控制量。ω為旋翼轉速，F_i為旋翼所受拉力；

結合線運動方程和角運動方程可得到四旋翼飛行器的非線性運動方程：其中l為旋翼中心到坐標系原點的距離，k_i為風阻系數；

在無風及慢速飛行的情況下，可以先忽略阻力系數進行研究，整理后的數學模型如下：