四旋翼飛行器——飛行器世界里的“精靈”

　　[摘要]如今的四旋翼飛行器可以是居民樓前的送貨員，是靚麗風(fēng)景的空中攝影師，是救災(zāi)搶險(xiǎn)的一線人員。明天它也可能會(huì)成為偵探界的福爾摩斯，還沒準(zhǔn)是間諜界中的湯姆•克魯斯。

　　四旋翼飛行器“精靈”

　　出品：科普中國

　　制作：北航飛天科普創(chuàng)意團(tuán)隊(duì)

　　監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

　　一個(gè)21世紀(jì)的“精靈”

　　四旋翼飛行器是《時(shí)代》雜志2014年度評(píng)選的十大科技產(chǎn)品之一，是汪峰“頭條”事件里的牽線紅娘。

　　圖1《時(shí)代》2014年十大創(chuàng)新工具(上圖)與汪峰求婚。

　　現(xiàn)在的四旋翼飛行器看起來風(fēng)光無限，但它也曾消沉失意。過去的四旋翼飛行器身輕體弱、走不了長路、負(fù)不起重物。相比走“硬漢”風(fēng)的飛行器家族，四旋翼飛行器一度飽受白眼。

　　從認(rèn)清自己開始，四旋翼飛行器的命運(yùn)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)。

　　認(rèn)清自己

　　為了認(rèn)清自己，四旋翼飛行器配備了兩只功能強(qiáng)大的眼睛：一只能看清自己的“位置”，知道自己是在黃山還是泰山，這就是自帶的GPS定位系統(tǒng);另一只能看清自己的“姿態(tài)”，就是知道自己是“坐著”、“躺著”，還是“倒立”，這就是陀螺儀。這兩只眼睛還要和“加速度計(jì)”配合使用，才能更準(zhǔn)確地知道自己的姿態(tài)和位置，以及姿態(tài)和位置的改變情況。

　　四旋翼“心里的雙眼”：GPS和陀螺儀

　　所謂GPS定位系統(tǒng)即全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)，是一種以全球24顆定位人造衛(wèi)星為基礎(chǔ)，向全球各地全天候地提供三維位置、三維速度等信息的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。它由三部分構(gòu)成：一是地面控制部分，由主控站、地面天線、監(jiān)測站及通訊輔助系統(tǒng)組成;二是空間部分，由24顆衛(wèi)星組成，分布在6個(gè)軌道平面;三是用戶裝置部分，由GPS接收機(jī)和衛(wèi)星天線組成。四旋翼飛行器身上安裝的就是用戶裝置部分。

　　陀螺儀又叫角速度計(jì)，就是通過一個(gè)不斷旋轉(zhuǎn)的陀螺記錄“姿態(tài)”。它的原理跟小時(shí)候玩的抽陀螺一樣，陀螺一旦轉(zhuǎn)起來，即使地面是斜的，陀螺還是會(huì)保持垂直旋轉(zhuǎn)，具有“定軸性”，我們可以假定這個(gè)姿勢是“坐姿”。當(dāng)四旋翼飛行器“躺下”時(shí)，便與坐姿產(chǎn)生了一個(gè)夾角，但陀螺儀依然會(huì)沿著“躺姿”的軸繼續(xù)高速旋轉(zhuǎn)，具有“進(jìn)動(dòng)性”。利用安裝在陀螺儀上的傳感器就可以知道這個(gè)夾角的大小和方向，從而確定“姿態(tài)”的變化。

　　光有GPS和陀螺儀還不能很好地知道自己準(zhǔn)確的“姿態(tài)”和“位置”及動(dòng)態(tài)變化的情況，還需要有加速度計(jì)的配合。

　　設(shè)計(jì)者在加速度計(jì)的內(nèi)部配置了兩個(gè)電容的連接點(diǎn)，并且在中間放置一個(gè)可導(dǎo)電、可晃動(dòng)的物質(zhì)，透過監(jiān)測該物質(zhì)移動(dòng)引起的電容改變，得到四旋翼飛行器位置變化的劇烈程度。

　　加速度計(jì)

　　認(rèn)識(shí)他人

　　認(rèn)清了自己之后，四旋翼飛行器還需要認(rèn)識(shí)他人。一般的四旋翼飛行器會(huì)配備一架高級(jí)相機(jī)，這臺(tái)高級(jí)相機(jī)，其實(shí)和咱們?nèi)粘Ｊ褂玫南鄼C(jī)是一個(gè)原理，只是多了一個(gè)高級(jí)的視覺處理系統(tǒng)，猶如人的視神經(jīng)系統(tǒng)一樣，可以感知周邊環(huán)境。“相機(jī)”分辨率越高四旋翼飛行器就“看”得越清楚。

　　四旋翼飛行器還師從蝙蝠，仿照超聲波測距，配備紅外線發(fā)射裝置，通過發(fā)射出去的波和反射回來的波之間的時(shí)間差，測出目標(biāo)距離自己有多遠(yuǎn)。

　　四旋翼飛行器的高級(jí)相機(jī)與紅外線測距裝置

　　四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)

　　四旋翼飛行器擁有對(duì)稱分布在身體的前后左右的四只“翅膀”，它們?cè)谕桓叨鹊钠矫嫔?，大小完全相同，由四個(gè)對(duì)稱分布在“翅膀”支架端的電機(jī)提供動(dòng)力，支架中間安放著GPS、陀螺儀、加速度計(jì)、感應(yīng)器、視覺感應(yīng)系統(tǒng)和紅外線測距裝置等。

　　擁有如此簡單的構(gòu)架，四旋翼飛行器又是如何飛翔的呢?

　　四旋翼飛行器的四只“翅膀”不停的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)提供升力，轉(zhuǎn)速的改變可以改變升力的大小，從而改變四旋翼飛行器的位置和姿態(tài)。另外，相鄰的翅膀要做相反方向的旋轉(zhuǎn)，這樣才能產(chǎn)生平衡的力矩防止四旋翼在空中“打轉(zhuǎn)”。

　　下面就讓我們看看四旋翼飛行器的飛行絕技。

　　懸停：四個(gè)電機(jī)的輸出功率增加，就帶動(dòng)著四只翅膀的轉(zhuǎn)速提升，產(chǎn)生向上的升力，當(dāng)這個(gè)升力超出了四旋翼飛行器自身重力時(shí)，四旋翼飛行器便起飛了。所謂在空中懸停，就需要四只翅膀轉(zhuǎn)速帶來的升力和地球施加的重力大小相同，方向相反，也就是“靜若處子”啦。

　　前進(jìn)：做到懸停之后，四旋翼飛行器又如何前進(jìn)呢?這需要力的方向發(fā)生變化，一定要有使其向前的力，如圖7所示，在懸停的基礎(chǔ)上增加后面翅膀的轉(zhuǎn)速使得升力增大，減小前面翅膀的轉(zhuǎn)速使得升力減小，如此四旋翼飛行器的身體便會(huì)產(chǎn)生傾斜，翅膀的升力差便會(huì)產(chǎn)生向前的分量，四旋翼飛行器便可以向前飛行了。

　　滾轉(zhuǎn)：如果改變左右兩只翅膀的轉(zhuǎn)速，即改變力矩，四旋翼飛行器就能在空中實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)。當(dāng)增大左邊減小右邊電機(jī)的轉(zhuǎn)速或者減小左邊增大右邊電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)體就會(huì)傾斜，如此左右不平衡的升力會(huì)使得力矩增大，這樣飛行器就可以在空中滾轉(zhuǎn)了。

　　圖7 四旋翼飛行器的三種飛行動(dòng)作

　　結(jié)語

　　如今的四旋翼飛行器可以是居民樓前的送貨員，是靚麗風(fēng)景的空中攝影師，是救災(zāi)搶險(xiǎn)的一線人員。明天它也可能會(huì)成為偵探界的福爾摩斯，還沒準(zhǔn)是間諜界中的湯姆•克魯斯。

　　不管怎樣，四旋翼飛行器都將是那個(gè)自由的“精靈”。