潜了那么久，终于忍不住要说说四轴的电机的安装，自稳定设计

fciasth · 发表于 2008-4-22 19:47:05

首先我是前两天才注意到这里这个开源项目，以前也就在这买点单片机等零件，很少到论坛来看。对这个项目的开源精神还有广大爱好着的热情非常敬佩。我接触过航模，知道四轴但没实际体验过，看了啊莫贴出的华科尔的四轴图片。提点我自己的看发，或许有所帮助。
一般固定翼航模都有一定自稳定功能例如机翼的后掠角、上反角都利于飞机的自稳定。类似的汽车四个轮子的安装也向内倾一定角度来钳位有利于汽车跑直路。同理在四轴基本没有气动外型的情况下也要做到一定的自稳定，就可以在电机的安装上做文章。具体原理如图，4个电机安装应该向内有微小倾角，使桨面向内倾斜。

(原文件名:未命名.JPG)

我对这个四轴项目很感兴趣，也密切关注，希望啊莫尽快组织把四轴平台做好，配套好机架，电机，桨，电调等。以一个比较合理的价格在站上出售，广大爱好着都受困于没有机加工能力，如果网站能提供基本平台这样广大爱好着就能直接买来，配上自己设计的特色飞控过瘾了。哈哈哈，大家都能玩，大家都能拿自己设计的飞控来过瘾，而且能更快的出成果。

xuechenghao · 发表于 2008-4-22 19:55:46

先沙发再看

fciasth · 发表于 2008-4-22 22:24:52

为啥不直接仿MD4-200的尺寸做一个

cai_mouse · 发表于 2008-4-22 23:00:30

这点子蛮好的

bluemidi · 发表于 2008-4-22 23:16:34

这样斜着装不是浪费了能量吗？

平衡控制应该能用软件控制系统解决的

比如往一边倾斜就让那边的电机加速另一边减速，这个过程应该是个动态的闭环控制，四轴不停的在调整自己的姿态。

STM32_PLC · 发表于 2008-4-23 07:54:13

楼主的设计有点道理的，多花一点点地能量，就可以把稳定点放宽不少。

这样闭环控制时，即使稳定点有些误差，也可以落在可稳定的范围内。

flyunlimit · 发表于 2008-4-23 08:57:06

楼主有理。原理和航模机翼的上反角是一样的。

就像我前面说过的，无刷电机不要一味的企图用单片机解决所有的问题。机械上也是这样。有时很小的机械结构的改变，可以抵过你几千行的程序。

这是一个完整的系统，应当做到机械－电子相互配合，达到最优。而不是单一的靠电子来解决所有问题。

wwwer · 发表于 2008-4-23 10:31:23

看了楼主的图，其实是非常有道理的。在一定水平范围内可以实现自动的平衡。

这结构也可以使得相对的两个桨所产生的气流减少互相干扰。

我做下一版的时候也会试试这个方法。

考虑到陀螺电子部分到时可能反而会影响这种机械结构的平衡，可以适当调小陀螺的控制比例，不然会造成冲突的。

microyao · 发表于 2008-4-23 17:28:16

这个想法好，只学电子是不行的。机械相当重要。尽管机械加工方面没有几个人有这方面的条件，但有一定的理论知识对电子设备的设备的设计是有很大益处的。

flyunlimit · 发表于 2008-4-23 20:41:38

呵呵，所以做电子的玩航模是绝配。

luckmount · 发表于 2008-5-6 01:41:06

这样做是不行的，因为在空中是按照飞机质心计算力矩的，如果单纯静态的改变升力方向而不改变升力大小，不会产生任何恢复力矩，即使产生了恢复力矩，由于它的阻尼几乎没有，那么飞机也会持续的振荡下去。飞机的上反原理不同，上反产生横向恢复力矩是因为倾斜时产生的侧滑角导致两侧机翼的气流合速度改变而带来的，和这个方法是两回事，另外竹蜻蜓是因为陀螺的进动和章动稳定，也不能从桨叶上打主意。

watercat · 发表于 2008-5-6 09:34:14

【10楼】 luckmount
这样做是不行的，因为在空中是按照飞机质心计算力矩的，如果单纯静态的改变升力方向而不改变升力大小，不会产生任何恢复力矩，即使产生了恢复力矩，由于它的阻尼几乎没有，那么飞机也会持续的振荡下去。飞机的上反原理不同，上反产生横向恢复力矩是因为倾斜时产生的侧滑角导致两侧机翼的气流合速度改变而带来的，和这个方法是两回事，另外竹蜻蜓是因为陀螺的进动和章动稳定，也不能从桨叶上打主意。
=================

个人对此持赞同态度

而且一旦因此导致飞行姿态不稳，则飞控程序就更难编写

实际上，为了【减少几千行程序】而去修改机械或其它非电控结构，最终导致成品必须增加几万行程序才能应对的事情也绝不少见

个人认为，初期还是以尽可能简单准确的机械结构为准，直到确实有证据证明某件事情修改机械结构比修改电控结构更容易解决的时候，再考虑改进机械结构不迟

redfoxen · 发表于 2008-5-6 09:46:02

俺去年就采用了这种结构，当然没飞控，方向稳定用的是锁尾陀螺仪，左右前后用的是PG03,电机轴内倾5度；脱手飞行也没出现震荡；有侧风时会有修正动作，当然陀螺仪的感度设定比较迟钝；不过漂移是有的；

STM32_PLC · 发表于 2008-5-6 12:38:29

对 10楼的分析持反对意见，

机械上设计扩大稳定点的裕量，电子控制能够落在范围内，就能比较好的去控制。
关于无阻尼振荡，单是机械部分，这个是不可能的，必然是控制干预不良才会引起的。PID调整，调的不好必然振荡。
关于浆叶，直升机的浆叶是可以进行多种控制的，这个你认为说明什么呢？

顺便问一下“如果单纯静态的改变升力方向而不改变升力大小，不会产生任何恢复力矩”，这个什么意思？力矩怎么计算的？
可以画个力矩分析图出来看一下的，不是吗！

所谓简单设计，那就是有把握的设计减少硬件开发的代价，既然那么多4轴都是内倾设计，那么肯定有实际的作用的。

sciencehero · 发表于 2008-5-6 13:01:50

先顶一下

long00001 · 发表于 2008-5-6 16:32:01

内倾设计肯定是必须的

luckmount · 发表于 2008-5-7 19:53:47

四轴飞机的受力在运动速度较低时，可近似认为是五个力，4个桨产生的垂直于电机轴的方向向上的力，也就是说这个力是与机体系固联的，另外还受重力，方向与地理系一致，当飞机受扰具有倾斜或俯仰时，四个桨的升力方向和大小不改变，那么相对于质心的力矩没有发生任何改变。由于重力在机体系上的投影会产生俯仰和倾斜的分力，但力通过质心，所以力臂为0，不产生力矩。这就是为什么我说没用的原因，至于12楼说的实践经验，那是由于陀螺产生的测速反馈带来的增稳效果，当然就是引入阻尼了，再加上遥控的输入近似于比例环节，从这个角度看，就是pd控制了，是可以产生有稳态误差的稳定的。我认为不能将地面上看到的跷跷板类的感性认识推广到空中去，须知地面的支点是力臂计算的参考点，在空中，没有了支点，刚体是按照质心计算力臂的。

“如果单纯静态的改变升力方向而不改变升力大小，不会产生任何恢复力矩”，就是说飞机桨叶的升力方向相对于机体系固联。

内倾安装桨叶的四轴飞行器，并不是为了增稳，而是为了在线运动时提供附加的由于迎角改变带来的附加恢复力矩，在静态时是没有用处的。

关于直升机桨叶的三自由度运动，本人是认为需要采用周期变距才能产生稳定性，如果只改变桨距，不会产生恢复力矩，和竹蜻蜓有本质区别，不知我说清楚了没有。

至于说的几千行代码用于增稳，太危言耸听了，就算是自适应PID的在线计算，，再考虑就是Kalman滤波，也不过是2×2的矩阵求逆，计算飞机角度和角速率的估计值，也用不了几千行啊。

STM32_PLC · 发表于 2008-5-8 10:56:09

luckmount 出图分析给大家看!!

一会儿没有作用,一会儿又是"不会产生任何恢复力矩",然后又 "为了在线运动时提供附加的由于迎角改变带来的附加恢复力矩".
既然可以形成恢复力矩,为什么不能对稳定起到辅助作用? 漂移可能是自然恢复的负面作用,但是既然有为什么不算?

到底想说明什么? 倾角的作用是什么?
有倾角会怎么样,没有倾角又会怎么样.劳驾分析一下.

"关于直升机桨叶的三自由度运动，本人是认为需要采用周期变距才能产生稳定性" 你很猛!

用你的知识来说服大家!

onair · 发表于 2008-5-8 14:12:30

luckmount 的想法是对的模型直升机就是通过斜盘达到周期变距的目的的。
汽车前轮有角度也是在前进时才回呔，汽车静止是是不会回中的。

STM32_PLC · 发表于 2008-5-8 15:51:10

本人表示诚挚的歉意,因为我对桨距,这个词理解错了.
不好意思.

不过还是希望有人能够完整地揭示一下,倾角的作用,好处坏处!

luckmount · 发表于 2008-5-8 19:37:23

友好交流气氛，乐于开源共享，“这里远比混乱的现实世界美好”。共勉！！

我本来想说内倾的安装方式从未见过，但又感觉可能井底之蛙，所以才有上述分析，但我确实从未发现过内倾的情况，我的言论只是我

对内倾的好处的一个简单的想法而已。

真正的要理解刚体受力和力矩的关系，请参阅工程力学教材，我只是想如果有用的话，我应该在大部分论文中能发现这个内容的，但我

查遍了中国知网，万方等国内的几个数据库，就是没有看到能通过内倾提供恢复力矩的，所以我才怀疑是不行的。

ppa2001 · 发表于 2008-5-8 21:38:07

我认为不需要内倾~4个电机本身生产生的扭矩的合力~可以通过改变转速达到平衡，或移动~

ppa2001 · 发表于 2008-5-8 22:07:42

我觉得如图

(原文件名:2.GIF)
可以就看做A，B两个电机，由于两个电机转速方向是相反的~（所以有反浆）
A，B电机自身产生的对O点的力矩FA，FB，正好相反，相互抵消，所以只要两个电机转速一致，即力矩相等，就会静止不动~
通过改变电机转速，就可以控制平移~
这是我的想法~不知道对不对~

onair · 发表于 2008-5-8 23:27:13

楼主敢于创新的精神我很欣赏，但我的观点和luckmount相同。用这种方法是不能实现自稳定的。
固定翼机翼的后掠角为何能实现自稳定呢？如下图，正常飞行是机翼的迎风面积是一样的。由于某些因素（如一侧引擎动力减少10%）引起飞机侧滑，那么一侧机翼的迎风面积会加大。阻力加大而阻止飞行姿态恶化。但如果飞机速度很低或静止的（吊机）那么这样设计是没用的。情况将持续恶化直至栽下来。

(原文件名:qq.jpg)

fciasth · 发表于 2008-5-14 12:08:50

静止时当然没用，我的意思是有利用保持静止，假如现在是平衡态，当有倾斜倾向时，如果没有改变其它控制，肯定是有利于恢复平衡的。分析谁都有自己的道理，有谁实践过出来说说吧

yarnn · 发表于 2008-9-6 21:31:55

楼主仔细做一下受力分析,AB两浆叶对称的相对的内倾角,是分别能产生一个平向分力,
但作用力的大小相等,方向相反(安装和参数都理想化),完全抵消,对四轴来说是一个内力,
不对外作功,也不对外起作用,所以无论你怎么倾向,都和垂直安装一样,而且还损耗不少能量~

csformat · 发表于 2008-9-7 17:54:10

我晕

水平低

看了下大家说的，都觉得有道理

不过倾向于25楼的结论

yarnn · 发表于 2008-9-7 23:18:19

不是水平的问题，是。。。，怎么说呢，是你太过注意你想到的优点了。所以没有仔细分析了！

TroyLee · 发表于 2008-9-8 00:54:28

樓主要仔細想想、分析...

我也同意 25F 的說法

goswami · 发表于 2008-9-13 22:36:04

不懂，不过感觉搂主是对的，内倾的设计在动态平衡时很象不倒翁的感觉，通过聚焦从而稳定重心，这是我的感觉，瞎说的，不对之处各位见谅！

lljyes · 发表于 2008-9-14 10:09:05

内倾,可以产生向心力的作用?

chenminhua · 发表于 2008-9-16 17:27:50

力挺楼主,那个玩具做比喻,喇叭口吹乒乓球的玩具大家都见过吧,气流恒定时乒乓球几乎稳定悬浮,当气流变化或侧向外力情况下乒乓球都能自我稳定,为什么呢

        1纠正:当飞机受扰具有倾斜或俯仰时，四个桨的<升力方向和大小不改变>，那么相对于质心的力矩没有发生任何改变

              "怎么可能不变呢,比如电扇你把他朝上吹、朝下吹,朝左吹,反作用力难道都是一样朝上吗

        2纠正:陀螺产生的测速反馈带来的增稳效果，当然就是引入阻尼了，再加上遥控的输入近似于比例环节，就是pd控制了

              我觉得不管是倾角也好,姿态检测后的pid控制也好,在这里都是一种力的负反馈(和电路的负反馈同理 请仔细看楼主的图片说明)当然这里也有反馈信号的相位延时(移相),当移相达到一定程度那就产生自激震荡.(你在程序中加段延时(不断修正延时时间看看效果!){而且大家可以很容易理解,pid控制应该是阶梯型的控制,而倾角控制是相对线性的,倾角调整几乎是实时的.不容易产生震荡>当然倾角调整最大的不足就是调整能力有限且和功的损耗成正比!,pid调整的优点刚好是倾角调整所办不到的

        3纠正:刚体是按照质心计算力臂的。 

              理想的物体才叫刚体,世上本没有你所所的支点.简化分析就是把一些参数理想化,电路里是这样,力学上也是如此,四轴简化分析那就是 <一个重力,始终向下,四个螺奖反作用力,朝螺旋桨的轴向,如果有风,那就是风吹的方向,其他的力是可以忽略的,.最重要的是螺旋桨反作用力,当要朝某一方向飞行,那就要有个力,飞机就要自己产生一个姿态,就是把螺旋桨的反作用力分化成一个向上的力和一个向前的推力,对抗风力实现悬停也是一样的道理

        再解释23楼这个:但如果飞机速度很低或静止的（吊机）那么这样设计是没用的。情况将持续恶化直至栽下来。

                    飞机速度很低后,并不是说这个力不存在了,而是很弱了,效果不大了,飞机大多数情况下是高速飞行的(飞机失速很危险,低速飞行几乎都是特技.对飞机的技术要求操控要求都很高,为什么?).四轴悬停的时候是相对静止的,但是你不会否认,螺旋桨受力点的风速是很大的略小于螺旋桨的线速度(这是他产生升力的原因).所以四轴能悬停,飞机不行(飞机的升力是机翼迎风并改变风向产生的反作用力,就象螺旋桨的一个浆叶.

           25楼完全没看懂楼主的用意,功的损耗是存在的没错,但这个倾角是有限的,且和你做的四轴性能有关,如果你的四轴驱动反应足够快,那完全不用做倾角,但是就如我前面说到的,你的控制回路肯定有延时,当你不能吧这个性能做到足够好的情况下,倾角就是一个有益的补充,如果这个倾角比较小比如1度,那这个损耗大家可以看的出几乎可以忽略不记,当然产生稳定的能力也很小,可见这个倾角的选择也是有许多学问的,这就是大家常听说的"机械调_教"机械调_教的重要性我想不用我说了吧

本贴被 chenminhua 编辑过,最后修改时间：2008-09-16,17:39:01.

yarnn · 发表于 2008-10-6 23:51:59

 (原文件名:新建 ACDSee BMP 图像.JPG) 

 

太久没分析受力了，今天有点找到在学校的感觉。

我画了个图，加上我前面的25楼一起说一下吧，

在倾斜时，最下面的图，两个拉力可以分解，沿轴线分量大小相等方向相反，相互抵消，只有垂直于轴线方向的分量对四轴作功，依然等效四个垂直安装的“小功率”桨，怎么起到自动校正角度倾斜作用？

另外，看右上图，碰到有风的时候，有倾角的安装似乎还给四轴带来受力不平衡因素，稳定性反而不好！

maoxia007 · 发表于 2008-10-7 17:06:47

假设这个方案可以用的话，请问能否保证水平方向的受力是平衡的？

外行人问一下而已。

peiyuan · 发表于 2009-2-25 19:41:37

25楼正确

dragonball · 发表于 2009-3-8 15:28:24

33楼的图明显有错误，在机体倾斜后右侧马达产生的垂直于地面的力还和倾斜前一样大？那不等于是说加不加内倾角都不损失功率。

acepzh · 发表于 2009-5-25 20:59:32

(原文件名:绘图1.jpg)

由图中可知，各力对于刚体来说合转矩为零。刚体不会转动，所以方案欠佳。

luzhengmao · 发表于 2009-5-25 21:54:31

还是找个机会在实际的4旋翼上做作试验，把马达座一头垫高1点就是了

lionxie · 发表于 2009-5-26 00:57:59

1.桨的差异＋电机差异＋电调差异＋安装误差
决定了不能在机械上实现自稳定。

2.桨不论如何倾斜，决定平衡与否的都是桨在水平状态下的力矩，水平状态不能实现自稳定，倾斜状态就一定不可以实现。

3.浪费能量的同时，各轴之间的相互“向心力”，更无法平衡

zhaopp · 发表于 2009-5-27 16:16:00

这个设计不会起到任何增稳作用，并且会降低抗阵风扰动能力。

harvard · 发表于 2009-5-28 17:35:53

这个设计确实不会起到任何增稳作用,反而会产生横向漂移.

chris512 · 发表于 2011-9-5 17:19:22

我觉得这个想法很好，假设把飞机看成用四根线吊起来，如果四根线不是竖直的而是向外有个角度的话，稳定性好很多

young_scut · 发表于 2011-9-5 18:54:56

应该没有效果

shxhdly123 · 发表于 2011-9-15 10:18:53

如果用TMS320C2812控制浪费不

潜了那么久，终于忍不住要说说四轴的电机的安装，自稳定设计

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