聊聊 4+1 垂起 01

写在前面

这学期一个比较有成就感的事情是做了一个4+1的垂起,飞控用的PX4原生固件,飞机是我们三四个人一块,自己设计制作的木机。

大概从12月20号开始策划,前期策划1个月,实物制作和调试1个月。尤其是做实物的一个月里,基本每天都在实验室干到很晚,很辛苦。有师兄开玩笑说:你们这一个课设都顶别人一个毕设了。当然这只是玩笑话,我们还有很多欠缺的地方需要改进。

这一个月期间,经历了各种各样奇奇怪怪的问题,但也算是入门玩家了。

准备写上一两篇相关的文章,随便聊聊。

简介

PX4将这种机型称为standard VTOL,为什么会有这种机型出现?原因有很多,但我认为其核心原因是悬停能力和续航能力的折衷。

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这种机型对于无人机续航能力的破坏主要在于四个旋翼电机带来的死重以及旋翼机构增大的阻力。使用倾转结构可以减少死重,但控制上和可靠性上会有一定的劣势。

从用途上来讲,这种布局的飞机由于旋翼机构的死重较大,用来做测绘、摄像比较好,但如果你想拿它来做载重、物流的话会比较吃力。

飞机的设计就是不断地妥协,这个曾经飞机设计师们不怎么看的起的方案,经过市场的检验,在民用市场也活得还不错,下图是大鹏的三款测绘无人机。

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打眼一看,可以看到照顾了旋翼机构的的两段式梯形翼,减少旋翼扰流对升降舵影响的高置平尾等设计。

这张图里面,旋翼的朝向都是平行于来流的,这让我想到一个有趣的问题,在固定翼模式下,四个桨叶是随风飘动比较好呢?还是朝着某个方向比较好呢?随风飘动的话旋翼能提供一定的升力,平行于来流的话则可以减少迎风面积,有着减小阻力的可能性。关于这个问题,我还没有查到相关文献,将来如果搞明白了会和大家分享,也欢迎高手指教。

控制逻辑

对于这种机型的控制有很多文献和研究。我用的是PX4原生固件,PX4对于这种机型的控制逻辑并不复杂,但还是比较合理的。

该机型的飞行模式分三种:固定翼模式、四旋翼模式和过渡模式。

前两种飞行模式不单独做介绍,这种机型的特别之处主要在于过渡模式。这里不讲「后转换反向制动」、「风向标」等复杂的功能,只说一下最简单的过渡逻辑。

从四旋翼过渡到固定翼称为前转换,从固定翼过渡到四旋翼称为后转换。

前转换的逻辑是这样的:飞机在进入预定高度后(官网推荐20米以上)悬停,打开固定翼前拉电机,前拉电机逐步增大到最大油门,随着空速增加,四旋翼控制逐渐减弱,当空速计测得的空速到达设定值时,四旋翼完全关闭。

前转换这么设置的原因主要是为了防止转换时掉高。稍微懂一点固定翼飞行力学的话你会知道,飞机飞的越快,迎角越大,机翼能提供的升力就越大。我们可以通过飞机的升力曲线来估算转换空速。

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上图是我们通过CFD仿真得到的飞机升力曲线,大家也可以根据其他软件进行简单估算。

可以先通过 1/2 * 空气密度 * v^2 * 机翼投影面积 * C_L = mg 很简单地估算一下飞机的转换空速,转换空速一定要比失速速度大(最大升力系数对应的速度),但可以比巡航速度小一点。

仿真时没有计算旋翼的影响,因此C_L可以取得保守一点,最后我们估计转换空速大约为13 m/s。

后转换时的逻辑是:转换后关闭固定翼电机,在之后的设定时间内飞行器将进行滑行减速,滑行时四旋翼电机逐渐开启。水平速度达到四旋翼巡航速度或设定时间结束时,后转换完成。(以先到者为准)把滑行持续时间设长一点可以让其更长的时间进行减速。

先写这么多吧,改天再分享一下更具体的细节,欢迎拍砖。

有兴趣可以关注一下我的个人公众号「我不是药丸」,我偶尔会在里面胡说八道。