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科普！無人機這么火 你知道它飛行的原理是什么嗎？
環(huán)球網(wǎng)
2018/03/14 09:53
編者按：對于一項新科技，圍觀總是多于實干，無人機也不例外。但隨著無人機成本的降低，相當一批人開始入手，并應(yīng)用到旅游、直播、救災等場景中。無人機進入消費領(lǐng)域。本文作者Rhett Allain是路易斯安納大學的物理學教授，他在“How Do Drones Fly? Physics, of Course!”一文中分享了一些關(guān)于無人機飛行的物理原理，從而使我們能夠更好地理解無人機。
　　無人機的發(fā)展正處于風口，市場價格也不是很貴。我擁有一架，并用它來拍我的狗和其他一些東西。在下文，我要談到的是帶有四個旋翼的遙控型無人機，而不是科學家用來研究氣候變化且價格昂貴的大型無人機。
　　相比大型無人機，小型無人機操作起來很是方便。熟練的操作者可以使其往任意方向飛行，從而更好地滿足拍攝需要。那么，無人機的飛行原理是什么？
　　垂直運動
　　無人機利用旋翼實現(xiàn)前進和停止。力的相對性意味著旋翼推動空氣時，空氣也會反向推動旋翼。這是無人機能夠上上下下的基本原理。進而，旋翼旋轉(zhuǎn)地越快，升力就越大，反之亦然。
　　現(xiàn)在的無人機能夠做三件事情：懸停、爬升和降低。當懸停時，無人機四個旋翼產(chǎn)生的推力等于向下的重力。這非常容易理解。那么如何實現(xiàn)爬升？增加四個旋翼的推力從而產(chǎn)生一個大于重力的向上的力。在該動作完成之后，無人機的推力可以相對減少，但為了使其繼續(xù)向上飛行，那么仍必須保證向上的力要大于向下的力。使無人機降低的要求則相反：需要減少旋翼的推力速度，此時合力向下。
　　旋轉(zhuǎn)
　　如何使一個正在朝北飛的無人機掉頭向南飛？此時旋翼的運動原理又是什么？
　　如圖所示，紅色的旋翼呈逆時針旋轉(zhuǎn)，綠色的旋翼呈順時針旋轉(zhuǎn)。當這兩組旋翼向相反方向旋轉(zhuǎn)時，無人機的總動力為零。角動力值與線性動力值很像，可以用角速度乘慣性矩計算得出。可以說，角動力取決于旋翼旋轉(zhuǎn)的速度。
　　假設(shè)紅色旋翼有一個值為正的角動量，而綠色旋翼有一個值為負的角動量，每個旋翼的值分為+2、+2、-2、-2，那么此時所有的力加起來為零。無人機即能實現(xiàn)懸停。
　　而要使無人機向右轉(zhuǎn)，則需要降低旋翼1的角速度。但是，雖然來自旋翼1的推力缺失能使無人機改變運動方向，但與此同時向上的力不等于向下的重力，所以無人機會下降。那么，如何使無人機在改變方向時保持高度不變？
　　降低旋翼1和3旋轉(zhuǎn)速度的同時，增加旋翼2和4的旋轉(zhuǎn)速度。此時旋翼的角動力仍然不為零，所以無人機能夠旋轉(zhuǎn)。而總力仍然等于重力，則無人機能夠保持在同一高度。由于向同一方向旋轉(zhuǎn)的旋翼角為對角，所以無人機仍然可以保持平衡。
　　向前飛行和側(cè)向飛行
　　無人機向前和向后的運動原理有什么區(qū)別？其實沒有，因為無人機是對稱的。這同樣適用于側(cè)向運動。一架四輪無人機就像一輛每一面都可作為正面的車，所以了如何向前也就解釋了如何向后或向兩側(cè)移動的問題。
　　那么具體該如何操作？
　　增加旋翼3和4的旋轉(zhuǎn)速率，降低旋翼1和2 的速率。此時，總推力與重量相等，因此無人機能夠保持高度不變。此外，由于一個位于后方的旋翼是逆時針旋轉(zhuǎn)，而另一個為順時針旋轉(zhuǎn)，所以增加的旋轉(zhuǎn)力仍然會為零，前方的旋翼情況相同。所以整體上無人機的方向不會改變。然而，無人機后部旋翼所增加的力會使其向前傾斜，因此應(yīng)該稍微增加所有旋翼的推力從而產(chǎn)生一個凈推力，其中的一個分力可以用來平衡重量和向前運動的力。
　　學會使用計算機系統(tǒng)
　　操作無人機的每個動作都是通過改變一個或多個旋翼的轉(zhuǎn)速完成，為了用一個控制器控制全部旋翼要善用某種計算機控制系統(tǒng)。此外，無人機的加速器和陀螺儀可以對每個旋翼進行微調(diào)，從而進一步提高飛行的簡易性和穩(wěn)定性。所以如果讓計算機系統(tǒng)完成所有的工作，那么操縱無人機則相當容易。
　　理解無人機的飛行原理是不是很有趣？