无人机利用旋翼实现前进和停止。力的相对性意味着旋翼推动空气时,空气也会反向推动旋翼。这是无人机能够上上下下的基本原理。进而,旋翼旋转地越快,升力就越大,反之亦然。
当四个电机转速同时增加的时候,升力增加,就向上运动,减小就下降。
旋转
如何使一个正在朝北飞的无人机掉头向南飞?此时旋翼的运动原理又是什么?
如图所示,绿色的旋翼呈逆时针旋转,红色的旋翼呈顺时针旋转。当这两组旋翼向相反方向旋转时,无人机的总动力为零。角动力值与线性动力值很像,可以用角速度乘惯性矩计算得出。可以说,角动力取决于旋翼旋转的速度。
假设绿色旋翼有一个值为正的角动量,而红色旋翼有一个值为负的角动量,每个旋翼的值分为+2、+2、-2、-2,那么此时所有的力加起来为零。无人机即能实现悬停。
为了保证四悬翼飞行器偏航角的稳定,飞控模块会调整四个电机的速度来保证这两个旋转力矩可以被互相抵消进而保证飞机不会自旋。
同样的,如果想要让四悬翼转向的话,只要打破这个平衡就可以了。
而要使无人机顺时针转,则需要降低旋翼1、3的角速度。但是,虽然来自旋翼1的推力缺失能使无人机改变运动方向,但与此同时向上的力不等于向下的重力,所以无人机会下降。那么,如何使无人机在改变方向时保持高度不变?
向前飞行和侧向飞行
无人机向前和向后的运动原理有什么区别?其实没有,因为无人机是对称的。这同样适用于侧向运动。一架四轮无人机就像一辆每一面都可作为正面的车,所以了如何向前也就解释了如何向后或向两侧移动的问题。
那么具体该如何操作?
增加旋翼3和4的旋转速率,降低旋翼1和2 的速率。此时,总推力竖直方向分力与重量相等,因此无人机能够保持高度不变。此外,由于一个位于后方的旋翼是逆时针旋转,而另一个为顺时针旋转,所以增加的反扭力仍然会为零,前方的旋翼情况相同。所以整体上无人机的方向不会改变。然而,无人机3、4旋翼所增加的力会使其向前倾斜,因此应该稍微增加所有旋翼的推力从而产生一个净推力,其中的一个分力可以用来平衡重量和向前运动的力。