Med fly er det 6 frihetsgrader (DoF) vi vil kontrollere (roll-pitch-yaw, og xyz), men for svevende kjøretøy (dvs. rotorcraft) kan vi komme unna med å kontrollere to frihetsgrader (xy ) ved å kombinere de 4 andre gradene (roll-pitch-yaw + z).

Det er mange måter å kontrollere de fire DoF, vanligvis:

• helikoptre, som bruker blader med variabel stigning og noen kombinasjoner av hoved- og halerotorer, for å resultere i en kombinasjon som resulterer i kontroll over rull, stigning, gjenging og skyve
• trikoptere, quadcopters, hexacopters, octocopters, etc ..., som alle bruker bladene sine til å kontrollere rulle, tonehøyde, gjeng og skyvekraft.

Et eller annet sted er det ikke til å unngå at du må ha evnen til å stabilisere fly på alle fire DoF kontrollere hver DoF . Matematisk gir quadcopter det laveste antall enkle aktuatorer som utfører jobben. Hver aktuator kan fungere ved å øke hastigheten eller senke farten, mens helikoptre og trikoptere krever en annen slags aktivering, vanligvis en kompleks. Det viser seg fra et pragmatisk synspunkt å øke hastigheten og redusere motorene er mye mer robust enn å endre vinkler på roterende kniver .

Quadcopter

Formelt ser det ut slik:

Så quadcopters regjerer over helikoptre og tripcotere fordi de er enkle. Hver akse styres av en bestemt kombinasjon av motorhastigheter, og alle akser er uavhengige, dvs. når du øker trykk, trenger du ikke å bekymre deg for å endre tonehøyde.

Så hvorfor ikke hexas, octos, etc ...?

Hexacopters

Hexas kan løfte mer, men gir ingen ekstra sikkerhetsmargin fordi det ikke er noen måte å stabilisere alle fire akser når en vilkårlig motor går ut (det er visse konfigurasjoner som kan fortsette å fly hvis en motor ut av et sett med fire svikter, men ikke kan fly hvis en av de to andre feiler).

Hexas er også mindre effektive, siden de bruker mindre propeller. (Uten å dykke inn i bladteori, og forenkle noe, er det mest effektive bladet et enkelt blad som er uendelig stort og beveger seg uendelig sakte.)

Hexas har også 6 motorer for fire frihetsgrader, så når de alt er flatt, du får det som kalles et "overbegrenset" system. Du kan faktisk vinkle dem til interessant effekt, f.eks. CyPhy Work's LVL 1 drone.

Octocopters

Octos kan teoretisk fortsette å fly hvis noen vilkårlig motor feiler, men i virkeligheten vil du sannsynligvis støte på blad stoppende effekter eller andre patologier som ikke tillater octo å opprettholde flukt. Dette skjer fordi den typiske octoen er lastet forbi det punktet der 4 motorer kan bære den trygt. Imidlertid er visse høykvalitets kjøretøy, som de som bærer dyre kameraer, octos fordi det er billigere å overspecifisere octos batterier og motorer enn å erstatte et $ 50k-kamera.

Octos er også mindre effektiv, av samme grunn som hexas.

Dette er et veldig interessant spørsmål, og et spørsmål som alltid er min favoritt å svare på.

For det første trenger rotasjonsfly ofte et jevnt antall propeller (men ikke alltid) eller en annen måte å motvirke tregheten på. av rekvisittene. Tenk for eksempel hvorfor helikoptre har en propell på slutten av halebommen; de må motvirke rotasjonskreftene til hovedstøtten (i et system må momentet bevares, så uten halebommen ville rotoren på toppen få hovedflyrammen til å rotere for å motvirke bevegelsen proporsjonal med massen).

Så, for å motvirke dette, trenger du rotasjonsinertien til rekvisittene for å summe til null for å unngå bevegelse, for eksempel ved å ha et jevnt antall propeller, eller du trenger en måte å vektordele av skyvet for å motvirke dette bevegelse, som du kan se i trikoptere hvor de har en servo på en av rotorene. Dette gir ekstra komplikasjoner og feilpunkter, så det er lettere å gå med et jevnt antall rotorer.

Lesningen at vi har fire i stedet for to rotorer er at, i tillegg til kjeving, må vi også tenk på stig- og rullaksene. For et bikopter. Hvis du vil kjefte, må du enten vektre skyvkraften eller redusere hastigheten til en av propellretningene.

Førstnevnte av disse krever servoer som igjen tilfører ekstra komplikasjoner, og sistnevnte betyr at det er en ubalanse i skyvekraften, som vil forårsake uønsket stigning eller rulling, avhengig av flyets orientering. / p>

På et quadcopter forsvinner imidlertid disse problemene. Vi kan ha rotasjonen på hvert diagonalsett med rekvisitter som samsvarer med hverandre. Hvis vi vil gjespe, øker vi skyvekraften i ett sett og reduserer det i et annet. Hvis vi vil kaste eller rulle, kan vi redusere skyvekraften i tilstøtende rekvisitter og øke skyvekraften i de to andre, begge mens vi opprettholder treghet og ikke har noen kjevebevegelse (se diagrammet nedenfor). Vi har også den ekstra fordelen av mer trykk, så en større nyttelast.

Dette kan skaleres opp med det samme prinsippet til fly med et jevnt antall propeller, slik at det er redundans - hvis en motor eller propellen svikter, kan de andre kompensere.

Jeg håper dette svarer på spørsmål - vær så snill å be om avklaring på alt du tror jeg kan ha savnet.

For alle som er interessert i hvordan et fly med et oddetall motorer trenger ikke servoer, jeg har funnet dette interessante papiret fra MIT: https://people.csail.mit.edu/taodu/pentacopter_guide/guide.pdf

Fotokilde: https://www.researchgate.net/figure/Inertial-and-body-fixed-frame-of-the-quadrotors-For-modeling-the-physics-of- the-quadrotor_fig2_331413393 / amp

Svarene ovenfor er gode.

Enkleste svaret jeg gir til alle som spør ?: Det tillater fullverdig flyging uten NOE kontrollflater, koblinger og bevegelige deler i det hele tatt annet enn rotasjon av motorene. Dette er utrolig enkelt, billig og robust og er en virkelig enkel enhet når flymaskiner går. Dette er det som gjør quad-design så spesiell i forhold til andre typer.

Fire er det minimale antallet propeller for å kontrollere holdningen til et fly uten å måtte bruke andre kontrollmetoder enn å bare kontrollere hastigheten til hver propell.

Den eneste som beveger seg delene av et quadcopter er rotorene. Og den eneste tilgjengelige kontrollmetoden er den nøyaktige kontrollen av rotasjonshastigheten til hver rotor.

Jo mindre bevegelige deler du har, jo mindre er sjansen for feil.

Også, fire rekvisitter er den mest effektive måten å gjøre kjøretøyet lite på. Gitt en begrenset størrelse på kjøretøystørrelsen, må du redusere hver rekvisittstørrelse for å legge til flere rekvisitter, og det gjør rekvisitten mindre effektiv. Jo større rekvisita, jo mer vekt-til-kraft-forhold (effektivitetsforhold) øker. Som et grovt eksempel: En enkelt 10-tommers propell vil produsere 1 kg skyvekraft ved bruk av 100W, mens en 5-tommers propell trenger 150W for å produsere samme mengde skyvekraft.

Som et merkelig faktum: Helikoptere har en " roterende vinge "på toppen av den, ikke en" propell ". Helikoptre kan opprettholde flyging selv etter motorfeil, fordi den roterende vingen fortsatt vil produsere heis, slik at den kan gli som et fly og lande trygt. Multirotors har ikke vinger, så propellen vil IKKE gi noen holdningskontroll hvis en motor svikter. For å ha redundans, må du legge til flere rotorer ... Men det er lettere å lage en mer pålitelig rotor enn å legge til redundans til et flerrotorfly ... Derfor har de fleste multirotorer der ute nøyaktig fire rotorer.