抛砖引玉——浅谈机架设计（1）上反角设计

nuaakimi · 发表于 2015-5-18 17:17

本帖最后由 nuaakimi 于 2015-5-18 17:17 编辑

旋翼机市场愈发火热，无论是商家还是玩家，对于机架的设计改良从来没有停止过。但有时我们应该停下脚步，总结归纳下多旋翼机架的设计规则。此贴仅为抛砖引玉，对于机架设计提出小小意见，并不评论机架的好坏。
上反角的设计我想在很多旋翼机上有应用，比如dji的s系列，比如某些折叠机架，都会设计几度的上反角。一是可以减少旋翼的入镜几率，二是收放脚架是减少干涉几率。但是从飞行稳定性能上来说，有时上反角的设计可能是忙中添乱的设计。
首先我们来看下无上反角设计的机架简化图：
机架简化为一根轻质杆，两段m1，m2为电机简化为质点的质量。如果飞机绕着几何中心（同样也是重心）旋转，无论在哪个角度可以平衡。这个在静力学中叫做：随遇平衡。站在飞控的设计角度来说，当我们想让飞机绕着这个几何中心旋转的时候，我们只需要让电机产生一个水平面方向的转矩就可以实现。两边的力避都会减小，但是两边力矩都会保持相等。飞控不会为寻找平衡点而烦恼，因为每个点都是平衡的。
接着是具有上反角设计的机架简化图;
使用同样的简化方法。我们可以发现，这种机架只能在一点保持平衡（水平位置），当我们给这种机架施加一个小小的扰动的时候（比如吹口气），机架的位置就会改变，典型的不稳定平衡。现在我们假设机架有一个小扰动，并且发生了顺时针方向的转动，我们可以发现，右边的力避有个先增大再减小的过程，左边的一直减小，如果把左右两边的力避做个差，我们可以发现右边力避会始终大于左边力避，直到整个机架反转180°以后（飞机已经翻了），才会重新平衡。
肯定有人会问，那么为什么有上反角的多旋翼还能够飞呢？这就得益于咱们现在强大的现代控制理论。但是无疑这种方式添加了飞控的控制难度。
首先是悬停控制：飞机在悬停时，不稳定平衡（上反角机架）需要不断寻找平衡点（其实是找不到的），稍微一点的过冲就会产生飞机产生倾转的趋势。这就相当于把一个多旋翼扔进了乱流中，无规则的风吹的飞机需要不断修正。
接着是航线时候的控制，如果两种机架保持同样的姿态角，具有上反角的多旋翼机架需要更大的控制力矩来抵消不平衡力矩。意味着这种飞机需要留更多的动力余量，来实现自身的平衡。

总结:平衡与不平衡的设计没有对与错，关键在于是否用对了地方。战斗机，赛车同样使用的是倾向于不平衡的设计，目的是高机动。但是航拍机也使用这样的设计就值得人们的推敲了。