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四旋翼桨叶挥舞现象小解

2014年12月26日 QuadRotor, robotics 暂无评论 阅读 3,051 次

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图 1 桨叶挥舞

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图2 悬停和前向运动时的入射速度分布

桨叶挥舞是由于沿着桨叶气流入射速度分布不均匀而引起的运动,由于在前行和后行桨叶所受的升力会产生差异而导致升力不均匀,以及叶片非完全刚体,则会引起桨尖扫过的平面发生倾斜,从而产生桨叶挥舞现象,如图2左,图1所示,而产生桨叶挥舞动作。向图 3右中可以看出,向前飞行时,垂直于螺旋桨桨叶的入射速度在转动一圈时不再是常数。这意味着前进和后退桨叶将产生不同的挥舞角,这将引起气动力和气动力矩的方向发生稍微倾斜的变化。

由于桨叶挥舞效应,桨拉力的方向实际上是垂直于桨叶旋转平面,而非机体平面。由于挥舞角的不断变化,会对飞行器姿态有所影响。

四旋翼飞行器通常配备有小而轻、固定螺距的旋翼(多为塑料材质、较大的有碳纤维材质)。塑料材质的旋翼是不是刚性的,在飞行过程中施加在旋翼上的空气动力和惯性力是相当显著,以至于使旋翼弯曲,产生桨叶挥舞现象。但由于四旋翼用的是很短小的螺旋桨。桨叶挥舞等空气动力效应及陀螺效应这些影响只会导致轻微的扰动,对于闭环系统影响不大,在分析中通常会被忽略掉。但这些基本的效果对于理解四旋翼是如何运动及其自然稳定性却是非常重要的。

设倾斜角度为 ,可由叶片的离心-空气动力-静态加权瞬态系统的常值和正弦分量计算得到。

实际上,允许旋翼弯曲是一个重要的机械设计,过于僵硬的旋翼会将气动力直接 传递到旋翼毂上、可能会导致电动机的机械故障。

桨叶挥舞和诱导阻力对理解四旋翼飞行器的固有稳定性具有重要意义。它们作用于旋翼平面,并影响于欠驱动的平移动态系统,因而需要特别注意。如图 1中所示,由于桨叶挥舞所产生的水平分量可视为一种抵消当前前进的阻尼。另外,当飞行器重心不在桨平面内,桨叶挥舞会产生额外力矩,甚至会对稳定性产生影响,在设计中需加以注意。

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