四旋翼飞行器——飞行器世界里的“精灵”

科普中国 2016-04-19

  出品:科普中国

  制作:北航飞天科普创意团队

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  一个21世纪的“精灵”

  四旋翼飞行器是《时代》杂志2014年度评选的十大科技产品之一,是汪峰“头条”事件里的牵线红娘。

  现在的四旋翼飞行器看起来风光无限,但它也曾消沉失意。过去的四旋翼飞行器身轻体弱、走不了长路、负不起重物。相比走“硬汉”风的飞行器家族,四旋翼飞行器一度饱受白眼。

  从认清自己开始,四旋翼飞行器的命运出现了转机。

  认清自己

  为了认清自己,四旋翼飞行器配备了两只功能强大的眼睛:一只能看清自己的“位置”,知道自己是在黄山还是泰山,这就是自带的GPS定位系统;另一只能看清自己的“姿态”,就是知道自己是“坐着”、“躺着”,还是“倒立”,这就是陀螺仪。这两只眼睛还要和“加速度计”配合使用,才能更准确地知道自己的姿态和位置,以及姿态和位置的改变情况。

   

  图2 四旋翼“心里的双眼”:GPS和陀螺仪

  所谓GPS定位系统即全球定位系统(Global Positioning System),是一种以全球24颗定位人造卫星为基础,向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的无线电导航定位系统。它由三部分构成:一是地面控制部分,由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成;二是空间部分,由24颗卫星组成,分布在6个轨道平面;三是用户装置部分,由GPS接收机和卫星天线组成。四旋翼飞行器身上安装的就是用户装置部分。

  陀螺仪又叫角速度计,就是通过一个不断旋转的陀螺记录“姿态”。它的原理跟小时候玩的抽陀螺一样,陀螺一旦转起来,即使地面是斜的,陀螺还是会保持垂直旋转,具有“定轴性”,我们可以假定这个姿势是“坐姿”。当四旋翼飞行器“躺下”时,便与坐姿产生了一个夹角,但陀螺仪依然会沿着“躺姿”的轴继续高速旋转,具有“进动性”。利用安装在陀螺仪上的传感器就可以知道这个夹角的大小和方向,从而确定“姿态”的变化。

  光有GPS和陀螺仪还不能很好地知道自己准确的“姿态”和“位置”及动态变化的情况,还需要有加速度计的配合。

  设计者在加速度计的内部配置了两个电容的连接点,并且在中间放置一个可导电、可晃动的物质,透过监测该物质移动引起的电容改变,得到四旋翼飞行器位置变化的剧烈程度。

   

  图4 加速度计

责任编辑:果仁

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