城堡里學無人機（二）：直升機型無人機飛行原理

首先稍微說明直升機（Helicopter）和旋翼機（Rotorcraft）之間的「區別」。

維基百科的詞條中Rotorcraft包含Helicopter，Cyclogyro/Cyclocopter，Autogyro，Gyrodyne，Rotor Kite。但有時會直接稱呼直升機型飛行器為Rotorcraft，大多見於外文技術書籍中。

有時又會將旋翼機和直升機完全分開看做不同概念，這樣的做法在國內的工程界和學術界中比較普遍。例如國內一般在談論旋翼機時，特指「自轉旋翼飛行器」（Autogyro），但在上面兩種國外的分類中，Autogyro只是旋翼機的一個子類。Autogyro飛行器的代表產品如美國GRON公司的獵鷹4型

或者常見的愛好者自製旋翼機：

關於旋翼機的特點、結構、姿態控制等內容MR.城堡會在本系列後面的文章中作為單獨專題寫出。

今天這篇文章，MR.城堡就只限於下面這類小型直升機型無人機的相關內容。

1.機身結構

小型RC直升機的組成部分包括：主旋翼，尾槳，垂尾，平尾，Flybar（副翼），主旋翼結構（自動傾斜器，Bell-Hiller結構等），起落架，機身。讀者可以比照下面這兩款在實際研究項目中使用的直升機型無人機來了解該機型結構。

從上到下分別為HeLion和SheLion無人機。特彆強調小型直升機是因為隨著飛行器尺寸的變化，氣動參數差別很大，在嚴肅的飛行器設計時會使用Scale ratio這個比值對氣動方程中的參數進行調整。

2.動力與姿態控制

直升機型無人機包括六自由度運動過程：慣性坐標系下三個直線方向，旋轉坐標系下三個姿態，俯仰，橫滾，偏航（縱向，橫向，垂向）。直升機姿態控制力矩來自於主旋翼和尾槳。拋開各姿態中的耦合因素，主旋翼提供俯仰和橫滾所需的姿態控制力矩，尾槳提供偏航力矩。直升機型無人機如果將揮舞角看做內部狀態則degree=5:平麵線性位移(x,y,z)，平麵線性速度(u,v,w)，姿態角(phi,theta,psi)，角速度(p,q,r)，揮舞角(a,b)。

主旋翼提供拉力是很明顯的，但是如何將拉力投影到縱向和橫向上併產生姿態控制力矩呢？直升機是通過主旋翼揮舞實現的。直升機主旋翼槳尖平面（Tip Path Plane）不是固定在一個二維平面中的，而是上下揮舞，以此平衡直升機主旋翼左右不平衡受力。揮舞產生橫縱揮舞角，主旋翼拉力就是通過橫縱揮舞角投影在其它方向上，並通過槳轂產生力矩控制直升機姿態。

主旋翼通過自動傾斜器調節周期變距實現揮舞運動。上圖為自動傾斜器（十字盤）以及常見的Bell-Hiller系統。通過這樣的結構將伺服電機的轉動變化為傾斜器角度變化，再控制槳距角發生變化，最終將主旋翼的升力投影在運動方向上驅動直升機實現三個方向上的直線運動。

上圖是MR.城堡認為非常漂亮的圖片，一張圖就將小型RC直升機硬體結構表現的非常清晰。RC直升機用四個伺服電機控制姿態，一個伺服電機控制油門。控制姿態的伺服電機中：Aileron,Elevator,Collective（關於接收機接法請參照MR.城堡之前的系列文章：城堡里聊無人機：不同機型飛行原理（一））三個伺服電機和十字盤連接，控制總距，橫縱周期變距；Rudder控制尾槳，現在都會連接Yaw rate feedback controller對RC直升機進行「鎖尾」。

小型RC直升機的轉速恆定，這是通過恆速器實現的。常用的如Futaba GY701，本身也是陀螺儀，恆速很好用，和接收機鏈接，直接屏幕設定即可：

3.直升機型無人機分類

MR.城堡在此給出一般情況下小型直升機型無人機的分類方法，該方法來自技術書籍，工程產品等的總結，可以方便無人機愛好者和使用者根據自己的需求選擇或製作、研發相關產品。

大型：機身長度：2-4m，主旋翼直徑：2.5-4m，變距槳數目：2-3，最大起飛負載：20-100kg，機身凈重：15-60kg，續航時間：1-6小時，動力：柴油或汽油

常見產品如：Schiebel S-100（MR.城堡一直蠻喜歡這個造型）；AF25B Copterworks Inc等

中型：機身長度：1.2-2m，主旋翼直徑：1.3m-1.7m，變距槳數目：2，最大起飛負載：5-20kg，機身凈重：3.5-5kg，續航時間：15-40min，動力：硝基燃料或汽油

常見產品如：Raptor 90SE，Observer Twin等

小型：機身長度：1m以下，主旋翼直徑：1m以下，變距槳數目：2，最大起飛負載：0.5kg以下，機身凈重：1kg以下，續航時間：10min左右，動力：電池

常見產品很多，如上圖中的TREX-450

4.不同使用者選擇

直升機型無人機在各類機型無人機中機動性最好，氣動效率，負載能力，飛行模式，續航能力等方面優秀。因此無人機型直升機對於眾多工程項目，專業航拍任務而言都是最優解決方案。

對於航拍職業人士，直升機型無人機意味著更大的負載能力。為滿足高品質航拍任務，飛行時必須增添相關設備，這時多旋翼無人機將會力不從心。對於多旋翼無人機而言機動性能，機身尺寸，續航時間，負載能力這些重要參數是彼此矛盾的存在，當使用者或設計者試圖增加其中的某一項時必然會導致另外某項的惡化，從而帶來此消彼長的不利局面。而直升機型無人機具備非常優秀的機動性能，可以拍出非常炫酷的運動視頻。

對於工業應用者而言，無人機意味著適應更加複雜，苛刻的飛行環境。工業應用時無人機往往要攜帶大量專業設備，如果是多旋翼無人機必然要增加旋翼數目或者無人機尺寸，這不但會降低續航時間，同時也會增加墜機危險。想像一下在林地和低空域海面飛行，下方是高低不平的樹木或者此起彼伏的波濤，大尺寸多旋翼無人機會很容易碰觸到伸出的枝頭和翻騰的海浪，但直升機型無人機在相同負重和續航要求下會顯得輕便機動很多。

對於創業者而言，直升機無人機的機身結構，控制方式等依然是創新的藍海領域。看到CES2016上Parrot固定翼無人機創新產品DIsco大獲成功後，能否啟發業內的聰明人士研發出一款同樣炫酷實用的直升機無人機呢？MR.城堡相信完全有可能。

最後MR.城堡需要特別提醒各位無人機愛好者，直升機型無人機是MR.城堡接觸的各類機型中最為危險的。因為主旋翼與機身寬度比例相差很大，轉速極快，無論是啟動階段還是飛行過程中都要求操作人員，協助人員，參觀人員非常注意小心，否則直升機分分鐘變「血滴子」啊。

文中圖片來自於互聯網

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