[发明专利]一种四旋翼无人机演示仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种演示仪，尤其涉及一种四旋翼无人机演示仪，属于无人机演示测试技术领域。

背景技术

四旋翼飞行器是一种结构新颖、性能卓越的新型无人飞行器，涉及众多领域的高、精、尖技术，具备重要的应用价值，关于四旋翼飞行器不少人对它有一种神秘感，并不能理解这样个一台机器是如何在空中灵活运动的。随着无人机行业的快速发展，现在大家都把重点放在了无人机性能、功能以及应用方面的研究，却忽略了普通人并不知道四旋翼为什么能够再空中灵活运动，这使得四旋翼虽然走进了千家万户，我们对它却还是一知半解，不利于提高我们的国民素质。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提出一种四旋翼无人机演示仪，该演示仪通过简单的机械构造以及数学模型的建立，能够比较清楚直观地演示多旋翼的飞行运动原理。

为达到上述技术目的，本发明采用了一种四旋翼无人机演示仪，包括一十字型刚性支架，所述十字型刚性支架底部的中间位置设有和地面连接的支撑杆，所述十字型刚性支架的四个端部沿逆时针方向分别安装有第一电机、第二电机、第三电机和第四电机，所述四个电机上分别水平连接有第一旋翼、第二旋翼、第三旋翼和第四旋翼；所述十字型刚性支架的中间 位置设有和四个电机电性连接的飞行控制计算机，并且所述飞行控制计算机上设有外部设备通讯模块。

进一步的，所述第一电机、第二电机、第三电机和第四电机均设有一LED灯。

进一步的，所述第一、第二、第三和第四电机通过四个输入力可实现六个状态输出，分别为垂直运动状态、俯仰运动状态、滚动运动状态、偏航运动状态、前后运动状态以及侧向运动状态。

进一步的，所述四旋翼无人机演示仪的数学模型如下：

首先建立两个基本坐标系：惯性坐标系E(OXYZ)和飞行器坐标系

B(oxyz)，分别定义欧拉角如下：

偏航角ψ：Ox在OXY平面的投影与X轴夹角；

俯仰角θ：Oz在OXZ平面的投影与Z轴夹角；

翻滚角Oy在OYZ平面的投影与Y轴夹角。

飞行器坐标系到惯性坐标系的转换矩阵为

接着对四旋翼飞行器做出如下假设：

①四旋翼飞行器为均匀对称的刚体；

②惯性坐标系E的原点与飞行器几何中心及质心位于同一位置；

③四旋翼飞行器所受阻力和重力不受飞行高度等因素影响，总保持不变；

④四旋翼飞行器各个方向的拉力与推进器转速的平方成正比例；

定义Fx、Fy、Fz为F在飞行器坐标系三个坐标轴上的分量；p、q、r 为角速度ω在飞行器坐标系三个坐标轴上的分量；

牛顿第二定律和飞行器动力学方程[9]可分别表述为向量形式：

式中，F为作用在四旋翼飞行器上的外力和，m为四旋翼飞行器的质量，V是飞行器的速度，M为四旋翼飞行器所受力矩之和，H为四旋翼飞行器相对于地面坐标系的绝对动量矩，重力G，阻力D_i，单个旋翼的升力T_i表示如下

G＝mg，

根据受力分析，牛顿第二定律以及飞行器动力学方程可得到线运动方程，表述如下

根据欧拉角与飞行器角速度之间的关系可得：

假设四旋翼飞行器质量和结构均匀对称，所以，其惯性矩阵可定义为对角阵I；

通过动量矩的计算，可得到M在飞行器坐标系三个轴向分量Mx、My、Mz的角运动方程：

定义U₁,U₂,U₃,U₄,为四旋翼飞行器的四个独立控制通道的控制输入 量：

式中，U₁为垂直速度控制量，U₂为翻滚输入控制量，U₃为俯仰控制量，U₄为偏航控制量。ω为旋翼转速，F_i为旋翼所受拉力；

结合线运动方程和角运动方程可得到四旋翼飞行器的非线性运动方程：其中l为旋翼中心到坐标系原点的距离，k_i为风阻系数；

在无风及慢速飞行的情况下，可以先忽略阻力系数进行研究，整理后的数学模型如下：