遙控直升機控制原理與性能分析

1、遙控直升機控制原理與性能分 析遙控直升機控制原理與性能分析一、 旋翼頭 旋翼頭是直升機中最神奇，也是最關鍵的部件。直升機的絕大多數(shù)性 質，比如穩(wěn)定性、靈活性，包括所謂操縱感覺，都是由旋翼頭決定的。遙控直 升機的旋翼頭采用貝爾 - 希拉操縱方式，也就是一對主旋翼，產生升力，同時 靠一對小翼控制升力的方向，從而達到控制直升機的目的。我們下面就來細說 一下貝爾 -希拉方式是如何達到操縱直升機的目的的。I 、 陀螺效應 所謂陀螺效應，就是旋轉著的物體具有像陀螺一樣的效應。陀螺有兩 個特點：進動性和定軸性。當高速旋轉的陀螺遇到外力時，它的軸的方向是不 會隨著外力的方向發(fā)生改變的，而是軸圍繞著一個定點進動

2、。大家如果玩過陀 螺就會知道，陀螺在地上旋轉時軸會不斷地扭動，這就是進動 （不考慮章動 ） 以下是陀螺效應的示意圖：圖一、陀螺效應示意圖在上圖中，圓盤是陀螺。L是圓盤的角動量，其大小是RX Mv或者I 3 由于在力學中，有，所以 方向相同。這直接導致了（如圖）高速轉動的陀螺在受到 F 后，整個陀螺以 X 軸為轉軸轉動而不是以 Y 軸為轉軸。這就是神奇的陀螺效應。這種效應一直伴 隨著直升機的飛行。例如：要使直升機仰俯，就必須要使直升機左右的升力不 平衡而不是使其前后不平衡?；谶@種原理我們下面就來解釋遙控直升機的所 謂貝爾 -希拉操縱方式。II 、 貝爾- 希拉操縱方式的初步分析說起貝爾 - 希

3、拉，同好們映像最深的一定是那對“希拉”小翼。這是遙 控直升機唯一區(qū)別于真飛機的地方。那么這對小翼的作用究竟是什么呢？她所 帶來的好處是什么？下面就聽我細細說來。在I中，我們已經看到陀螺效應的基本原理。在遙控直升機中，主旋 翼就是一個大陀螺，它本身具有陀螺效應。當我們改變主旋翼傾角時，直升機 的運動狀態(tài)就會發(fā)生改變。但同時，如果用舵機直接改變主旋翼的傾角來控制 飛機，問題是很多的。首先，主旋翼傾角的改變需要較大的力矩。如果用十字盤直接控制的話，強大的、交變的力矩將會直接作用到舵機上。這樣舵機將會受到很大負荷，操縱精度會嚴重下降。第二，當直升機受到輕微擾動后，由于 陀螺的進動性， 直升機將不會恢復

4、原來狀態(tài)， 而是繞著垂線方向進動 （如圖） 圖 如圖，由于重力不通過旋翼頭中心，所以造成力矩的產生，從而導 致主旋翼發(fā)生進動。這個問題是嚴重的，會直接導致遙控直升機懸停及飛行時 無法穩(wěn)定。基于以上問題，貝爾 - 希拉操縱方式產生了。 操縱過程是這樣的：一、初始狀態(tài)希拉小翼由于空氣和離心力作用，和主旋翼平面平行。此時兩片主旋 翼升力相等，飛行狀態(tài)不發(fā)生變化二、操縱時上圖為同一個視角，主旋翼轉動到不同角度時的狀態(tài)。在圖 I 中，操 縱者將十字盤傾斜。希拉小翼就與空氣呈 10°傾角。由于空氣的作用，希拉小 翼在圖 I 位置受力。由于陀螺效應，希拉小翼不會在圖 I 位置立即上抬，而是 在轉過

5、 90°后在上圖 II 位置上抬。于是希拉小翼旋轉平面與主旋翼平面呈 10°夾角并穩(wěn)定于此。在圖 II 中，我們清晰地看見，由于希拉小翼通過連桿控制著主旋翼的 傾角，所以希拉小翼旋轉平面的改變導致了主旋翼與空氣產生夾角。從而使主 旋翼在圖 II 位置受力。由于陀螺效應，主旋翼不會在圖 II 位置立即上抬，而 是在轉過 90°后在圖 I 位置上抬。從而使得主旋翼平面趨于平行于希拉小翼。至此，遙控直升機主旋翼平面的傾轉過程已經分析完畢。我們看到， 遙控直升機的傾轉總是希拉小翼旋轉平面先傾轉，主旋翼平面跟上趨于平行的 過程。有意思的是，在這一過程中主旋翼操縱的負荷被希拉

6、小翼完全承擔。舵 機只需承擔操縱希拉小翼的負荷。這就有效地化解了一般操縱方式舵機負荷過 重的問題。下面再來初步分析希拉小翼對遙控直升飛機穩(wěn)定性帶來的好處。為此， 我們來看貝爾 -希拉操縱系統(tǒng)的干擾 - 穩(wěn)定過程：、初始狀態(tài)希拉小翼由于空氣和離心力作用，和主旋翼平面平行。此時兩片主旋 翼升力相等，飛行狀態(tài)不發(fā)生變化 二、外界氣流對飛機進行干擾。當遇到氣流時，由于主旋翼的旋轉，會導致左、右主旋翼相對于空氣 的速度不同，從而產生力矩，使飛機偏離平衡位置。如圖：在上圖中，飛機機身及主旋翼平面由于干擾而失去平衡位置。但由于 希拉小翼采用對稱翼型，不會受到外界干擾。由于陀螺效應的定軸性，希拉小 翼平面保持

7、不變。所以此時主旋翼平面由于與希拉小翼平面有夾角而產生恢復 力矩，抵抗外界干擾。這就是貝爾 - 希拉控制方式的自穩(wěn)定過程。也正是這個 過程，使得遙控直升飛機避免了被干擾后就陷于進動的問題。同時，當直升飛 機高速前進時，由于左、右主旋翼相對空氣的速度不同，會導致力矩的產生， 使飛機抬頭的現(xiàn)象也被這種貝爾 - 希拉控制方式有效抑制，從而有效地提高了 遙控直升飛機的可操縱性。值得注意的是，貝爾 - 希拉自穩(wěn)定過程不能抑制過 強的干擾。原因是希拉小翼旋轉平面保持原來運動狀態(tài)的同時，由于機身的傾 斜，小翼與空氣平面會產生夾角，從而破壞小翼原來的運動狀態(tài)。如圖：由于B角的存在，希拉小翼旋轉平面會向主旋翼旋

8、轉平面方向旋轉，最后趨 于平行。所以貝爾 - 希拉的自穩(wěn)定過程是有限的。還需要其他手段（比如使希 拉小翼不太靈敏）來增加穩(wěn)定性。通過以上的初步分析，大家應該已經對遙控直升飛機的控制原理有了一個大概的了解，對直升機旋翼頭有了一定的認識。對于一般以及能力有限的 同好，了解這些已經足夠。但對于另一些喜歡刨根問底的或者是希望參加比賽 的發(fā)燒級同好，改裝、調整飛機成了必要的工作。所以應該深入、定量地分析 貝爾- 希拉的操縱過程。我下面就做一些這方面的工作。希望能給大家一點啟 發(fā)。III 、貝爾- 希拉操縱方式的定量分析（看不懂這一章的可以直接看最下方的總結） （1）微擾動過程。在進行定量分析之前，我將貝

9、爾 - 希拉控制過程分為兩類 - 微擾動 過程和一般過程，目的是從易到難，逐個分析，從而簡化難度。從 II 中，我 們已經知道直升飛機的操縱主要過程是：小翼與空氣產生夾角T小翼旋轉平面 傾斜一主旋翼與空氣產生夾角一主旋翼旋轉平面傾斜。在某些情況下，比如陣 風對飛機干擾時，小翼旋轉平面的傾斜大大大于主旋翼平面的傾斜，所以我們 就將主旋翼平面的傾斜忽略不計。這樣，只要研究小翼的運動而不必考慮主旋 翼平面的轉動對小翼造成的影響。這樣分析是有益的，能讓我們方便地看清飛 機在懸停時有風的情況下的運動方式，以及諸如轉速、希拉小翼的質量分布對 飛機穩(wěn)定性的影響。首先將希拉小翼看作陀螺。令：希拉小翼：角動量為

10、 L 轉動慣量為 I半徑為 R 由舵機控制而轉過的角度或者機身由于擾動主旋翼平面與小翼的平面 夾角（不是小翼旋轉平面）為 B（如圖）旋轉平面與主旋翼夾角為書 平面以X軸為軸的轉動角速率為 3主旋翼轉速為因為是微擾動，/ F 是小翼與空氣有夾角后受到的力 很小。11上式的意思是，主旋翼轉速為，轉動慣量為I的希拉小翼受到力矩 M后，其平面轉動速率（也可以理解為一 端向上抬起的速率）慣量對于同一級別的直升機，由于主旋翼轉速是固定的，希拉小翼的轉動也是定值，所以當主旋翼轉速越快，CD越小，也就是希拉小翼上抬的速率越小， 或者說直升機在懸停時遇到風的情況就越穩(wěn)定。對于 90 級直升機，其希拉小 翼的轉動

11、慣量 I 大于 50 級直升機。所以也就比 50 級穩(wěn)定。上式充分說明了直 升機的轉速以及希拉小翼 +平衡桿的轉動慣量的大小與直升機的穩(wěn)定性成正 比。大直升機穩(wěn)定性的根源就在于此。為了了解直升機的運動狀態(tài)，光有上式是不夠的。因為M會隨著直升機姿態(tài)的恢復而變化。不同品牌，不同型號的直升機，M的變化方式不同。比如，有的直升機在收到擾動后恢復姿態(tài)時，M開始變化很快，后來逐漸變慢；而有的 是M的變化趨于平穩(wěn)。這樣也就導致了希拉小翼的 d，即一端上抬存在加速度， 這也就是不同直升機有不同操縱感覺的原因。為了充分分析問題，我們必須找 出D隨時間t的變化規(guī)律D (t)以及希拉小翼的平面與主旋翼夾角書的變化規(guī)

12、律書(t) o/這是升力公式，F(xiàn)是小翼受到的 力根據(jù)一開始的定義，由舵機控制而轉過的角度或者機身由于擾動主旋翼平面與小翼的平面夾角（不是小翼旋轉平面）為 9在9不太大的情況下，即正比關系。令兩邊求導，18我們認為9是定值。C為積分常數(shù)，由初始條件定出: 當t=0時，書=02021這就是微擾動情況下希拉小翼旋轉平面隨時間的運動方程。從這個方 程中我們可以看到，平衡桿的轉動慣量越大，隨時間的變化就越慢，飛機也就越穩(wěn)定。這也就是為什么 hirobo 的練 習機在平衡桿上加重物的原因。（ 主旋翼轉速 ） ，（空氣密度），R （平衡桿長度），S （希拉小翼面積）越大，平衡桿的變化也 就越靈敏。原則上飛機

13、就越靈活。 這似乎與前面得到的一個結論相矛盾，也與我們平時飛行的感覺不符。 我們平時飛行時，總覺得主旋翼轉速越高，飛機越穩(wěn)定。事實也是如此。那么 問題關鍵出在什么地方呢？原來，B式所要描述的過程已經不同于微擾-穩(wěn)定過 程。因為在分析中，我們用了這個條件。這個條件是有前提的，即 9不太大也不太小的情況下這個條件成 立。也就是說，上式給出了一個在 9不太大也不太小，正好滿足微擾條件的 希拉小翼旋轉平面的運動方程。這個方程是有局限性的。當我們讓遙控直升飛 機作大動作的時候，上式不適用。對于 9 極小的情況下，上式也不適用。因 為，而是等于一個由于摩擦或其他效應造成的小量m所以此時只能用方程來描述希拉

14、小翼旋轉平面的運動。 A式告訴我們,越高，即主旋翼轉速越高，飛機越穩(wěn)定。同時，B式告訴我們,越高，直升機越靈活。所以提高對飛機來說好處很多。尤其對 F3D,提高可以使飛機做到靜如處子，動如脫兔的地步。飛起來會得心應手。2）、大幅度操縱過程對于大幅度地操縱遙控直升飛機，主旋翼旋轉平面的變化就不能被忽 略了。這會使問題十分復雜。 為了相對清晰地研究這個問題，我決定以上 個分析為基礎進行研究。令： 主旋翼：角動量為半徑為轉動慣量為旋轉平面與初始平面夾角為平面以 X 軸為軸的轉動角速率為主旋翼轉速為根據(jù)角動量守恒原則。其中，是主旋翼與空氣的夾角，是主旋翼產生的生力差是主旋翼升力焦點到主軸的距離是由希拉

15、小翼旋轉平面與主軸的夾角決定的。令，其大小決定了飛機的靈敏度。這個比例可以通過改變主旋翼夾頭上搖臂與主 軸的距離來調節(jié)。于是，問題轉化為：在前面的分析中，現(xiàn)在考慮機身傾轉因素，則 這是二階常系數(shù)齊次線性微分方程。求解，得：其中，是待定系數(shù)，由 t=0 時的狀態(tài)決定=0于是，主旋翼即直升飛機的傾轉的運動方程是：這個方程說明，我們在操作飛機時，飛機的運動狀態(tài)并不是勻速改變 的，而是有一個加速 - 減速的過程。這也就是所謂 hirobo 和雷虎飛行時操作感 覺不同的原因。IV 、 小結。 以上定量分析的內容可能會給大家?guī)硪恍├щy。于是我將在這一節(jié)中總結一 下我從公式中得到的結論。主旋翼旋轉平面運動類型 所對應的實際情況 運動方程 結論 微擾- 穩(wěn)定