四轴机架重心与稳定性的关系

evenhigh

很有价值的贴，过来学习下。。

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高低搭配电机不累

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sukekkk

照你这样说做个圆圈飞行器。岂不是稳如马吗

水国大兵II

大家知道，固定翼分为上单翼、中单翼和下单翼
其实楼主说的重心与机架的相对位置，就是这三种情况

众所周知
在三种分布中，上单翼好飞但是机动性差

这个问题多旋翼和固定翼是一样的，只是他们各自提供升力和姿态分力的方式不同

为什么上单翼好飞？
因为上单翼的重心低于机翼拉力面
这个拉力面也就是王中王兄提到的力学平面
重心越低，要改变飞机运动状态的转矩就越大，飞机的静稳定性就越好，
在未对飞机进行人为姿态控制的时候其抵抗外界干扰（气流）保持平飞的能力强，所以说下单翼好飞
当然，人为控制飞机改变姿态时需要的提供的转矩也就大，这对固定翼航时影响较小，
但对多轴这种完全靠桨叶旋转提供升力的飞行器，确实值得注意

同理，重心越接近拉力面，改变姿态时的所要克服的重力转矩越小
飞机机动性越好

需要特别说明的是，大家说的好飞
实际上是在未对飞机进行人为姿态控制时，飞机容易自己保持平稳飞行的特性（静稳定性）
这里着重说明一下：
所有关于静稳定性的讨论都是基于平飞状态（即：无俯仰和横滚角度）的保持而言的，
因为发现很多朋友没有注意我们在讨论的稳定性到底是让飞机保持什么状态，从而不知所云

王中王兄的回复分析得很详细，其实说的就是飞行器的机动性和静稳定性之间的矛盾
其中提到力学平面的计算，其实有一个点应该找，就是飞行器在力学平面内的速度瞬心（线速度为零角速度不为零的点）
由于飞行器大多形状规则，就算是异形机架也是等腰梯形
根据空间力系的合成定理易推导出：多轴的速度瞬心就是在王兄提到力学平面内，到各电机轴距离相等的点
（具体可见我的这个帖子，专门讨论了多旋翼的飞控和重心安装位置的选取）
http://bbs.5imx.com/bbs/forum.php?mod=viewthread&tid=878463&extra=

确切地说，楼主讨论的重心位置
就是在过速度瞬心的竖直方向上，高于、重合于、低于速度瞬心的三个位置
重心越靠近速度瞬心，重心相对速度瞬心的动态转矩越小，机动性越强

我是楼主兄提到了上反角，其实“有无上反角”和“重心位置高低”都是对静稳定性产生影响的因素，两者之间没有相互影响关系
多旋翼的上反角和低重心位置都能提高飞机的静稳定性（上述非人为控制时飞行器保持平飞的能力）
上反角在人未控制姿态而产生风偏的时候，上反角的拉力投影一边比平飞时更大，一边比平飞时更小，从而主动修正风偏，这是不需要飞控参与的物理修正
同样，在以保持飞机平飞这个讨论基础上，低重心产生的大转矩（重心相对速度瞬心）也会抵抗风偏，从而提高静稳定性（不倒翁效应）
但是如王中王兄所说，不倒翁在回归静态之前是需要左右不停震荡的，由此引发的震荡和低重心能带来的稳定性到底谁能抵消谁更多，还要看多轴的设备（如飞控性能）

同时，还有很重要的一点，重心在上和在下的作用并不一样
首先还是讨论平飞静稳定性
重心在下时，外界干扰因素改变飞行姿态所克服的重力转矩（相对速度瞬心）做的功是负功，因为此时，多旋翼任何的瞬时运动方向和重力方向的夹角都大于90°
所以平飞的时候重心在下就是能更好的抵抗干扰！也就是我们感觉到的好飞（可能在多轴上，飞控算法已经足够好，我们感觉不出差别，但我们讨论这么多就是为了通过物理修正减轻飞控负担）

而重心在上时，重力转矩做的是正功，因为上述夹角小于90°
此时从平飞状态变为侧滑是非常容易的（对多轴的平飞稳定性反而是降低），所以可以看到二战很多飞机采用了下单翼，为的就是平飞状态下遭遇险情能够迅速横滚进行规避
而下单翼的同时也采取了机翼上反角，比如P-51野马，就是为了能在横滚后更加迅速的恢复平飞（侧面说明了重心位置和有无上反角之间互无影响）
所以对多轴航拍而言，重心宁可在下不可在上

总结：
无论什么平台，机动性和稳定性天生就是一对不可调和的矛盾

如果是航拍，可以选择上反角（细心的朋友可以发现，F330、450系列的机臂都是微带上反角的）和较低重心（具体多低，根据多轴实际物理结构和经验决定）；
若是FPV，建议将重心靠近上述速度瞬心以获得更好的机动性（下反角也能增强机动性，不过不必要这么搞了）

全部本人纯手打原创，转载请注明，不对之处欢迎讨论，谢谢
祝大家新年快乐！

水国大兵II

楼主，有些地方值得商榷，请看532楼回复

水国大兵II

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）， ...

感觉有地方不妥：1、重心在上在下影响是不一样的
2、重心有无作用跟有无上反角无关
请看532楼

bigbear

看看学习

lumcat

好久没看到这么好的技术贴了，必须顶起~~

水国大兵II

我是楼主 发表于 2014-1-30 06:40
有想法就是好的，不过正如你自己所说，还是需要多推敲推敲，你说的上反角我还没仔细看，但是重心上下问题 ...

你的受力分析我理解，一开始觉得你说得很对
细想就不对了，两者并无因果关系
你之所以始终认为没有上反角，重力在上在下无用
是觉得，多旋翼升力影响重力
但实际上升力和重力都是飞行器自身的力
都是用来维稳的力，不是你想的因果关系

最简单的例子
就算一个完全得不到升力的不倒翁，从天上丢下来
它绝对不会大头（轻的一头）朝下，而是始终重的一段朝下
这就是重力相对速度瞬心的维稳力矩的作用

它跟有没有升力毫无关系

这个错觉跟你认为没有上反角，重力就没有维稳作用是一个道理
你总把两个平行因素混淆成相互影响的关系

实际上升力是用来维持飞机不掉下来的力（在不倒飞的前提下就是始终要有向上的升力，否则就下坠）
而干扰飞机平飞的外力，是必须要对相对速度瞬心偏心的重力转矩做功的
这就是重心偏离速度瞬心的意义


不用去直机那边问
我本人也玩
直机大桨相对多旋翼桨叶的直径和线密度都要大得多（相对结构尺寸相似的多旋翼和直升机而言。根本上说，是直升机“大桨与机身的长度比”永远比多旋翼大，同时多旋翼为了减重，桨叶质量也很小）
由此带来的陀螺力效不是多旋翼可比及的
倒飞稳定性就得益于此
此时，重心即使在上也被陀螺力给牢牢稳住，所以对飞手而言区别并不大
因此，多旋翼平飞维稳可以拿固定翼类比，但是没法跟直机比

试想，在玩具陀螺顶部放一块橡皮泥，让他转照样能维稳
但是走钢丝的人没有愿意把平衡杆高高举过头顶的，都是老老实实放在胸前（再低不方便行走了）
为什么？因为人并不旋转，走钢丝平衡完全靠重心调节


P-51为了平飞稳定而采用上反角；为了更容易从平飞进入横滚，用下单翼
上反角和重心位置，都是对姿有态影响的平行因素，不是没有上反角，重力就没有维稳作用

实例证明：
我曾在飞KT板（不但没有上反角，连翼型都没有）的时候，
电池从机身上掉下来，剩电源线拉住在空中拽着
瞬间就好飞了很多

另外还要着重提示：重心在上始终是没有在下稳（平飞静稳定性），在下重力是抵抗干扰，在上重力是顺应干扰，具体看532楼分析

说了这么多没有任何较真儿的意思，就是想和大家探讨出正确的结论

cfandd

kanwei1991

有道理

261032243

看看