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四轴机架重心与稳定性的关系

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楼主
发表于 2012-12-6 19:18 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 junhui 于 2013-1-11 11:19 编辑

四轴重心
1:与螺旋桨平  
2:与机架臂平
3:比机架略低  
哪个飞的稳
有做过实验的同学讨论下,(前提是一样的飞控)

非常感谢“我是楼主”  “王中王”两位的详细分析!
两位的观点也是本人的观点,希望能够给大家组装多轴飞行器时,有个理论上的帮助。

26楼 王中王:多轴飞行器是由飞控感知和各桨差速来控制横滚和飞行姿态,飞行姿态修正速度快、动作大,重心远离轴心造成的轴向惯性摇摆和震荡现象影响明显,同时由于没有翼面来抑制非操控横滚,进一步放大了惯性横滚的负面影响,因此重心远离轴心负面影响大于正面影响。由于多轴运动中各有相当重量的电机和桨高速旋转所造成的陀螺效应的影响对飞行器运动轨迹起着关键和及其重要的作用,所以多轴运动轴心和力学平面的计算相当复杂(等专业人士点拨),一般认为由各电机带桨时,旋转部件的重心位置构成的平面为其四轴飞行器的运动平面,重心靠近这个平面飞行器惯性摇摆越小,整体质量越靠近这个平面的中心点惯性摇摆越小(重量越集中在中心板上越好,当然,也要考虑电调等的相互干扰),多数情况下运动平面都平行并高于中心板(电机位高过中心板),这就是为什么有人在中心板上方放瓶矿泉水,四轴反而更稳。
    当然,四轴安装中,重心高过运动平面比低过运动平面更有害(运动时会有不稳力臂叠加),但重心过低了大机动时相当不利。之所以有人感官上觉得四轴重心低点会更稳些,是因为重心低时四轴的姿态变化速度会变慢,到达舵量点时会柔和些,所以感觉稳些,但飞控会很辛苦,被惯性荡来荡去(肉眼不易察觉)



多次回帖的我是楼主:重心无论在上还是下对稳定性没有什么影响,lz要知道即使重心低也不能使四轴和直升机这两类飞行器的稳定能力增加,因为普通四轴在飞行的时候螺旋桨产生的拉力始终是垂直于四个螺旋桨平面的(四个桨在同一平面),飞行器并不会产生一种可以使其重的部位朝下而轻的部位朝上的力矩,这不同于我们提篮子时篮子收到的力,篮子收到的力是始终竖直向上的,所以重的部位才会下垂,而在空气中飞行则不会有始终向上的力,机身一旦偏转那么拉力也跟着偏转了。除非只有一种情况下低重心才能起到稳定效果,那就是像固定翼那样,机翼有上反角,四轴则是四个螺旋桨朝向中心安装,未完稍后继续。
    对于普通四轴而已,重心离开螺旋桨平面越远只能增加飞行器的惰性,(无论重心在上还是下都是一样的效果),为什么会这样呢?因为重心越远,机身做伏仰和侧倾动作的时候螺旋桨所需要克服的力矩会大大增大,所以使动作变得缓慢迟钝,不适合机动飞行,控制变得缓慢而笨重,此时如果还是使用原来的参数则会显得过底,所以需要把感度调高才行,再次强调:重心在上在下只要距离一样那效果也是一样的,除非螺旋桨内倾才能显出区别!!!

补充一下:情况3 ,飞行器将变得迟缓,各电机调整平衡将消耗更多的电能,这个特性对于航拍稳定是有利的。前提是电机必须有足够的富余功率。

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沙发
发表于 2012-12-6 19:25 | 只看该作者
没做过,帮顶
3
发表于 2012-12-6 19:32 | 只看该作者
帮顶
4
发表于 2012-12-6 19:36 | 只看该作者
电池绑在上面和绑在下面的感觉还是绑在下面稳定一点。至于重心在那个位置还没有捉摸。
5
发表于 2012-12-6 19:40 | 只看该作者
这个我清楚点,现在手机发不方便,回去再说
6
发表于 2012-12-6 19:44 | 只看该作者
本帖最后由 端木殿 于 2012-12-6 20:19 编辑

1 和2 几乎一样..。。。.
不过一般不推荐1.。。重心偏高。容易倒栽葱(特别是某个电机烧了或者浆爆了)

剩下的主要 看你的飞行模式了。。

暴飞的话尽量接近拉力的中心。。。也就是2.。。 这样可以得到最大的机动性

稳定飞/ap的话。。重心在中轴线上稍低有助于自稳/自动平衡(水平)

图释

粉线是中轴线
红圈是重心位置
绿色箭头表示电机+桨的拉力方向

上面那个无论怎么姿态变化。。重心都不做功/也不需要对重心做工 (较省电,免去无用功)
下面那个姿态变化成非水平时电机对重心做功(耗电)。。从某姿态恢复到水平的时候重力做功(省点电且重力作用类似于辅助回稳)。。整机很容易自动回到水平。。

sqq.JPG (19.48 KB, 下载次数: 206)

sqq.JPG
7
发表于 2012-12-6 20:06 | 只看该作者
我来说下,重心无论在上还是下对稳定性没有什么影响,lz要知道即使重心低也不能使四轴和直升机这两类飞行器的稳定能力增加,因为普通四轴在飞行的时候螺旋桨产生的拉力始终是垂直于四个螺旋桨平面的(四个桨在同一平面),飞行器并不会产生一种可以使其重的部位朝下而轻的部位朝上的力矩,这不同于我们提篮子时篮子收到的力,篮子收到的力是始终竖直向上的,所以重的部位才会下垂,而在空气中飞行则不会有始终向上的力,机身一旦偏转那么拉力也跟着偏转了。除非只有一种情况下低重心才能起到稳定效果,那就是像固定翼那样,机翼有上反角,四轴则是四个螺旋桨朝向中心安装,未完稍后继续
8
发表于 2012-12-6 20:07 | 只看该作者
楼上正解呀,前一个机动性较好,平衡性也可以。后一个稳定性很好,机动 会着点。
9
发表于 2012-12-6 20:20 | 只看该作者
对于普通四轴而已,重心离开螺旋桨平面越远只能增加飞行器的惰性,(无论重心在上还是下都是一样的效果),为什么会这样呢?因为重心越远,机身做伏仰和侧倾动作的时候螺旋桨所需要克服的力矩会大大增大,所以使动作变得缓慢迟钝,不适合机动飞行,控制变得缓慢而笨重,此时如果还是使用原来的参数则会显得过底,所以需要把感度调高才行,再次强调:重心在上在下只要距离一样那效果也是一样的,除非螺旋桨内倾才能显出区别!!!
10
发表于 2012-12-6 20:23 | 只看该作者
学习学习
11
发表于 2012-12-6 20:34 | 只看该作者
我是楼主 发表于 2012-12-6 20:20
对于普通四轴而已,重心离开螺旋桨平面越远只能增加飞行器的惰性,(无论重心在上还是下都是一样的效果), ...

来来。。。那求教一下
上受力图先

黑色是机臂平面
闪电是电机/桨的拉力方向
红色水平箭头是拉力分解的水平方向上的力
绿色垂直箭头是拉力分界的竖直方向的力
红色是重心
黄色垂直于机臂平面的线是中轴线

假设在此时摇杆回中
重力的作用?

(当然。。。不同的飞控和pid结果会不同。。就假设一下是mwc,pid中I项(姿态维持)最小化(无摇杆行程时不维持姿态)
那么遥感回中时所有电机/桨的拉力当作是同一数值)





当然。。。不同的飞控和pid结果会不同。。就假设一下是mwc,pid中i项(姿态维持)最小化(不维持姿态)
那么遥感回中时所有电机/桨的拉力当作是同一数值
12
发表于 2012-12-6 20:35 | 只看该作者

RE: 四轴机架重心与稳定性的关系

端木殿 发表于 2012-12-6 19:44
1 和2 几乎一样..。。。.
不过一般不推荐1.。。重心偏高。容易倒栽葱(特别是某个电机烧了或者浆爆了)

...

确实,重心远离的时候很耗电,做功大,但是飞机无论是从水平变为非水平还是非水平变为水平,都是一样耗电,姿态变动时重力自始至终不做功的,因为整体质量的中心 海 拔 高 度 不 变 ,重力怎会做功?
13
发表于 2012-12-6 20:38 | 只看该作者
本帖最后由 端木殿 于 2012-12-6 20:46 编辑
我是楼主 发表于 2012-12-6 20:35
确实,重心远离的时候很耗电,做功大,但是飞机无论是从水平变为非水平还是非水平变为水平,都是一样耗电 ...

姿态改变是关于飞控(imu)/ 拉力平面和中轴线的交点 为中心而不是重心为中心做旋转
(订正:当然。。。如果imu在重心上那就是另外一个case了。。我们假设imu在中轴线和拉力平面的交点上。。因为一般都是这么放的)
14
发表于 2012-12-6 20:48 | 只看该作者

RE: 四轴机架重心与稳定性的关系

端木殿 发表于 2012-12-6 20:34
来来。。。那求教一下
上受力图先

你仔细看看你自己画的图,螺旋桨产生的拉力有竖直向上的分力,这个没错,竖直的分力确实能产生使机身转到水平的力矩,但是你忽略了螺旋桨产生的水平分力,这个水平分力的力矩正好克服竖直分力的力矩。因而结果呢?飞行器保持姿态不变
15
发表于 2012-12-6 20:48 | 只看该作者

RE: 四轴机架重心与稳定性的关系

端木殿 发表于 2012-12-6 20:34
来来。。。那求教一下
上受力图先

你仔细看看你自己画的图,螺旋桨产生的拉力有竖直向上的分力,这个没错,竖直的分力确实能产生使机身转到水平的力矩,但是你忽略了螺旋桨产生的水平分力,这个水平分力的力矩正好克服竖直分力的力矩。因而结果呢?飞行器保持姿态不变
16
发表于 2012-12-6 20:57 | 只看该作者

RE: 四轴机架重心与稳定性的关系

端木殿 发表于 2012-12-6 20:38
姿态改变是关于飞控(imu)/ 拉力平面和中轴线的交点 为中心而不是重心为中心做旋转
(订正:当然。。。 ...

假如你把中心轴固定了那么当然是绕中心轴转动,可是在空中可没固定住哦,就像你扔铅球时如果人没站稳也会向后一退吧,当然这里不能用作用力与反作用力来解释,但是物体总是有惯性的,总是希望整体质量不要发生位移,你说对吧
17
发表于 2012-12-6 21:12 | 只看该作者
本帖最后由 端木殿 于 2012-12-6 21:15 编辑
我是楼主 发表于 2012-12-6 20:48
你仔细看看你自己画的图,螺旋桨产生的拉力有竖直向上的分力,这个没错,竖直的分力确实能产生使机身转到 ...

补充/订正假设
1. 姿态调整是关于imu的度数,以imu为中心(大多数飞控目前不支持位置补偿)
2. 一般飞控的位置都是放在拉力平面和中轴线的焦点(图上标做O点)

图上的设定是重心明显低于imu位置。。。那么水平分力关于O点重心对称,扭矩抵消掉了。。竖直分力也关于O点重心对称抵消掉了。。。剩下一个重力

(当然。。我也说了。。。如果imu在非常接近重心的位置的时候(+/-3cm?)可以认为是关于重心改变姿态。。。这也就是为什么一般都推荐飞控尽量接近重心的原因)





一个比较不恰当的栗子的话。。
假设一个+四轴, 电池装在前臂上。。不开自稳的情况下会如何?
(我以前遇到过类似的问题。重心偏离之后四轴会姿态改变到某个角度。然后固定在那个角度上)
18
发表于 2012-12-6 21:37 | 只看该作者

RE: 四轴机架重心与稳定性的关系

端木殿 发表于 2012-12-6 21:12
补充/订正假设
1. 姿态调整是关于imu的度数,以imu为中心(大多数飞控目前不支持位置补偿)
2. 一般飞控 ...

额,你那个例子举得是够不恰当的,重心偏离到机臂上本来就会造成力臂不等,在不开自稳的情况下当然会偏转。就说重心偏上偏下,我也不懂什么umi,从力学角度分析,你想想,四个螺旋桨的合力是不是穿过重心的,那不就明了了吗,看成一个质点,螺旋桨的拉力就相当于在质点上施加一个力而已,重力也只是作用于整体,没有什么转动力矩的。  另外你说的什么参数的重心高度补偿,就是我之前说的原因
19
发表于 2012-12-6 21:59 | 只看该作者
本帖最后由 端木殿 于 2012-12-6 22:12 编辑
我是楼主 发表于 2012-12-6 21:37
额,你那个例子举得是够不恰当的,重心偏离到机臂上本来就会造成力臂不等,在不开自稳的情况下当然会偏转 ...

来个四轴在飞行中的简化受力图

简化机架为T形结构。。。架构本身无质量。。。重心在圆圈处(表示低于机臂)。。。不计空气阻力。


闪电继续是两个相等的拉力
向下箭头是施加在重心上的 重力的合力

受力分析和姿态预测怎么破?




然后。。最后。。。。最顶上的楼主给个“稳”的定义撒。。。。多轴的稳实在太多种了。。。
20
发表于 2012-12-6 22:00 | 只看该作者
没做过!!!
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