Frage:
Warum haben Multirotoren normalerweise vier Propeller?
anonymous2
2020-04-17 00:43:38 UTC
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Ich habe beobachtet, dass schwebefähige Drohnen fast immer vier Propeller haben. Es gibt natürlich Hubschrauber mit zwei, aber im Allgemeinen scheint die überwiegende Mehrheit der UAVs mit vier Propellern zu fahren.

Es scheint mir intuitiv, dass dies weniger effizient sein muss: Mehr Reibungspunkte, mehr Verkabelung, mehr Gewicht usw.

Warum überwiegen eher vier Propellerdrohnen als beispielsweise drei Propeller? Liegt es nur daran, dass es einfacher zu kontrollieren ist oder einen reibungsloseren Flug ermöglicht? Oder gibt es einen physischen Grund?

Vier antworten:
#1
+26
Kenn Sebesta
2020-04-17 01:03:59 UTC
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Bei Flugzeugen gibt es 6 Freiheitsgrade (DoF), die wir steuern möchten (Roll-Pitch-Yaw und xyz), aber bei schwebenden Fahrzeugen (dh Drehflüglern) können wir zwei Freiheitsgrade (xy) steuern ) durch Kombinieren der 4 anderen Grade (Roll-Pitch-Yaw + z).

Es gibt viele Möglichkeiten, diese vier DoF zu steuern, typischerweise:

  • Hubschrauber, die verwenden Schaufeln mit variabler Steigung und einige Kombinationen von Haupt- und Heckrotoren, um eine Kombination zu erhalten, die die Kontrolle über Roll-, Nick-, Gier- und Schubtrikopter, Quadcopter, Hexakopter, Oktokopter usw. ermöglicht. Alle verwenden ihre Klingen, um das Rollen, die Neigung, das Gieren und den Schub zu steuern.

Irgendwo ist es unvermeidlich, dass Sie für einen stabilisierten Flug auf allen vier DoF die Fähigkeit dazu haben müssen Steuern Sie jeden DoF . Mathematisch gesehen bietet der Quadcopter die geringste Anzahl einfacher Aktuatoren, die diese Aufgabe erfüllen. Jeder Aktuator kann durch einfaches Beschleunigen oder Verlangsamen arbeiten, während Hubschrauber und Trikopter eine andere Art der Betätigung erfordern, normalerweise eine komplexe. Unter pragmatischen Gesichtspunkten stellt sich heraus, dass das Beschleunigen und Verlangsamen von Motoren viel robuster ist als das Ändern der Winkel der sich drehenden Schaufeln.

Quadcopter

Formal sieht es so aus so:

Quadcopter for Qids

Quadcopter herrschen also über Hubschrauber und Tripcoter, weil sie einfach sind. Jede Achse wird durch eine bestimmte Kombination von Motordrehzahlen gesteuert und alle Achsen sind unabhängig voneinander. Wenn Sie also den Schub erhöhen, müssen Sie sich auch keine Gedanken über die Änderung der Tonhöhe machen.

Warum also nicht Hexas, Oktos usw. ...?

Hexacopter

Hexas können mehr heben, bieten jedoch keinen zusätzlichen Sicherheitsspielraum, da es keine Möglichkeit gibt, alle vier Achsen zu stabilisieren, wenn ein beliebiger Motor ausgeht (es gibt bestimmte) Konfigurationen, die weiter fliegen können, wenn ein Motor aus einem Satz von vier ausfällt, aber nicht fliegen können, wenn einer der beiden anderen ausfällt).

Hexas sind auch weniger effizient, da sie kleinere Propeller verwenden. (Ohne in die Klingentheorie einzutauchen und etwas zu vereinfachen, ist die effizienteste Klinge eine einzelne Klinge, die unendlich groß ist und sich unendlich langsam bewegt.)

Hexas haben auch 6 Motoren für vier Freiheitsgrade, also wenn sie Sind alle flach, erhalten Sie ein sogenanntes "überlastetes" System. Sie können sie tatsächlich auf einen interessanten Effekt ausrichten, z. LVL 1-Drohne von CyPhy Work.

Octocopters

Octos können theoretisch weiter fliegen, wenn ein beliebiger Motor ausfällt, aber in Wirklichkeit werden Sie wahrscheinlich auf eine Klinge stoßen Stalling-Effekte oder andere Pathologien, die es dem Okto nicht ermöglichen, den Flug aufrechtzuerhalten. Dies geschieht, weil das typische Okto über den Punkt hinaus geladen wird, an dem 4 Motoren es sicher tragen können. Bestimmte hochwertige Fahrzeuge, z. B. Fahrzeuge mit teuren Kameras, sind jedoch Oktos, da es billiger ist, die Batterien und Motoren des Oktos zu stark zu spezifizieren, als eine 50.000-Dollar-Kamera zu ersetzen.

Oktos sind auch weniger effizient, aus dem gleichen Grund wie Hexas.

#2
+11
Drones and Whatnot
2020-04-17 01:08:33 UTC
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Dies ist eine sehr interessante Frage, die ich immer am liebsten beantworte.

Erstens benötigen Rotationsflugzeuge normalerweise eine gerade Anzahl von Propellern (wenn auch nicht immer) oder einen anderen Weg, um der Trägheit entgegenzuwirken der Requisiten. Denken Sie zum Beispiel daran, warum Hubschrauber am Ende ihres Heckauslegers einen Propeller haben. Sie müssen den Rotationskräften der Hauptstütze entgegenwirken (in einem System muss der Impuls erhalten bleiben, sodass sich der Rotor oben ohne Heckausleger drehen würde, um der Bewegung proportional zu ihrer Masse entgegenzuwirken).

Um dem entgegenzuwirken, muss die Rotationsträgheit der Requisiten auf Null summiert werden, um Bewegungen zu vermeiden, z. B. durch eine gerade Anzahl von Propellern, oder Sie müssen einen Teil des Schubes vektorisieren, um dem entgegenzuwirken Bewegung, die Sie in Trikoptern sehen können, wo sie ein Servo auf einem der Rotoren haben. Dies führt zu zusätzlichen Komplikationen und Fehlerquellen, sodass es einfacher ist, mit einer geraden Anzahl von Rotoren zu arbeiten.

Die Anzeige, dass wir vier statt zwei Rotoren haben, ist, dass wir neben Gieren auch müssen Denken Sie an die Nick- und Rollachsen. Für einen Bikopter. Wenn Sie gieren möchten, müssen Sie entweder den Schub vektorisieren oder die Geschwindigkeit einer der Propellerrichtungen verringern.

Ersteres erfordert Servos, was wiederum zusätzliche Komplikationen mit sich bringt, und letzteres bedeutet, dass ein Schubungleichgewicht vorliegt, das je nach Ausrichtung des Flugzeugs zu unerwünschtem Nick- oder Rollverhalten führt.

Bei einem Quadcopter verschwinden diese Probleme jedoch. Wir können die Drehung jedes diagonalen Satzes von Requisiten aufeinander abstimmen lassen. Wenn wir gieren wollen, erhöhen wir den Schub in einem Satz und verringern ihn in einem anderen. Wenn wir neigen oder rollen möchten, können wir den Schub in benachbarten Stützen verringern und den Schub in den anderen beiden erhöhen, während wir gleichzeitig die Trägheit beibehalten und keine Gierbewegung haben (siehe Abbildung unten). Wir haben auch den zusätzlichen Vorteil von mehr Schub, also einer größeren Nutzlast.

Dies kann nach dem gleichen Prinzip auf Flugzeuge mit einer geraden Anzahl von Propellern skaliert werden, so dass Redundanz besteht. Wenn ein Motor oder eine Stütze ausfällt, können die anderen dies ausgleichen.

Ich hoffe, dies beantwortet Ihre Fragen Frage - Bitte zögern Sie nicht, um Klarstellung zu bitten, was ich möglicherweise verpasst habe.

An illustration of the movement of a drone’s rotors

Für alle Interessierten, wie ein Flugzeug mit einem Eine ungerade Anzahl von Motoren benötigt keine Servos. Ich habe dieses interessante Papier vom MIT gefunden: https://people.csail.mit.edu/taodu/pentacopter_guide/guide.pdf


Fotoquelle: https://www.researchgate.net/figure/Inertial-and-body-fixed-frame-of-the-quadrotors-For-modeling-the-physics-of- the-quadrotor_fig2_331413393 / amp

@KennSebesta sehr wahr, ich habe nur versucht, eine vereinfachte Antwort zu geben, da der Konsens über Meta zu sein schien, dass ein zu tiefes Eintauchen in die Physik nicht immer der richtige Weg ist. Ich habe auch verallgemeinert, dass es für F & E-Zwecke nicht immer eine gerade Zahl geben muss, sondern für die meisten im gewerblichen und professionellen Bereich. Vielen Dank, dass Sie darauf hingewiesen haben. Ich werde zur Verdeutlichung eine Bearbeitung hinzufügen. Bearbeiten: Ich habe meine Antwort gerade noch einmal gelesen und sehe nicht, wo ich gesagt habe, dass eine gerade Zahl erforderlich ist, sondern nur, dass dies eine Option ist. Könnten Sie bitte klarstellen, was ich bearbeiten soll?
@KennSebesta Entschuldigung - Ich habe meinen anderen Kommentar gelöscht, weil ich ihn nicht bearbeiten konnte, und ich fühlte mich ein wenig konfrontativ. Vielen Dank, dass Sie den Link zum Link geteilt haben. Ich werde einen Blick darauf werfen!
@KennSebesta haha ​​Ich bin froh, dass ich nicht konfrontativ wirkte - ich hatte es bestimmt nicht vor! Ich denke nicht, dass Sie sich Gedanken über das Löschen Ihrer Kommentare machen sollten - sie fügen meiner Antwort zusätzlichen Kontext hinzu und das kann immer nur eine gute Sache sein!
#3
+5
user251
2020-04-17 10:59:34 UTC
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Die obigen Antworten sind großartig.

Einfachste Antwort, die ich jedem gebe, der fragt?: Es ermöglicht einen voll ausgestatteten Flug ohne Bedienoberflächen, Gestänge und bewegliche Teile außer der Drehung der Motoren. Dies ist unglaublich einfach, billig und robust und ein wirklich einfaches Gerät für Flugmaschinen. Dies macht Quad-Designs gegenüber anderen Typen so besonders.

Jep. Multis sind wirklich schreckliche aerodynamische Plattformen mit sehr geringem Wirkungsgrad, aber die Iterationszeit von Flug zu Absturz zum Flug beträgt Minuten statt Wochen.
Drohnen können keine Festkörpervorrichtung sein, da Motoren eine Lücke zwischen dem sich drehenden und dem nicht drehenden Bohrer benötigen. Siehe https://en.wikipedia.org/wiki/Solid-state_electronics
ähm, was auch immer über das "Festkörper" -Ding. Der Punkt der Antwort war zu klären, dass der EINZIGE mechanische Teil eines Multirotors die Motoren sind, die sie als Flugmaschinen einfach machen. Ihr Wiki-Link ist jedoch ein gutes Stück Smartassery. Ich habe die Antwort bearbeitet, um das beleidigende Teil herauszunehmen ... danke, denke ich.
#4
  0
Daniel Ribeiro
2020-04-29 00:12:32 UTC
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Vier ist die minimale Anzahl von Propellern, mit denen die Fluglage eines Flugzeugs gesteuert werden kann, ohne dass andere Steuerungsmethoden als nur die Geschwindigkeit jedes Propellers angewendet werden müssen.

Die EINZIGE Bewegung Teile eines Quadcopters sind die Rotoren. Die einzige verfügbare Steuermethode ist die genaue Steuerung der Drehzahl jedes Rotors.

Je weniger bewegliche Teile Sie haben, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls.

Außerdem Vier Requisiten sind der effizienteste Weg, um das Fahrzeug klein zu machen. Bei einer festgelegten Beschränkung der Fahrzeuggröße müssen Sie jede Requisitengröße reduzieren, um mehr Requisiten hinzuzufügen. Dadurch wird die Requisite weniger effizient. Je größer die Stütze ist, desto höher ist das Verhältnis von Gewicht zu Leistung (Effizienz). Als grobes Beispiel: Eine einzelne 10-Zoll-Stütze erzeugt 1 kg Schub mit 100 W, während eine 5-Zoll-Stütze 150 W benötigt, um die gleiche Schubmenge zu erzeugen.

Als merkwürdige Tatsache: Hubschrauber haben eine " Drehflügel "darüber, kein" Propeller ". Hubschrauber können den Flug auch nach einem Triebwerksausfall aufrechterhalten, da der Drehflügel immer noch Auftrieb erzeugt, sodass er wie ein Flugzeug gleiten und sicher landen kann. Multirotoren haben keine Flügel, daher gibt der Propeller KEINE Lageregelung, wenn ein Motor ausfällt. Um Redundanz zu haben, müssen Sie mehr Rotoren hinzufügen ... Es ist jedoch einfacher, einen zuverlässigeren Rotor herzustellen, als einem Flugzeug mit mehreren Rotoren Redundanz hinzuzufügen ... Deshalb haben die meisten Multirotoren genau vier Rotoren. P. >



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