全铰式旋翼系统 半刚性旋翼系统 刚性旋翼系统 有什么区别 能否用图讲解一下？

一、全铰式旋翼系统 半刚性旋翼系统 刚性旋翼系统 有什么区别 能否用图讲解一下？

此文成稿已久，今夜翻到，即发之。“刚性旋翼到底是不是就是指‘刚硬的旋翼’呢？卡莫夫共轴旋翼和西科斯基共轴刚性旋翼有什么区别呢？”

我之前写过一篇关于旋翼（桨毂）构型的文章，从宏观的角度介绍了直升机旋翼的几种常见构型，包括全铰接式旋翼、半刚性旋翼和刚性旋翼等，虽获大多正向反馈，但也有读者朋友认为图文相互佐证不够充分，作为科普文对于入门级别的读者不甚友好。

由于旋翼构型本身的复杂性，一篇3000字的文章显然不能囊括方方面面的概念，在听取数百条读者朋友的反馈之后，我决定进一步细化介绍旋翼桨毂构型，尽量把相关的概念讲清楚，这一篇的主题从大家最感兴趣的刚性旋翼开始。

正确认识“刚性旋翼”

刚性旋翼作为一个中文名词，普遍被认为是从英文“Rigid Rotor”直接翻译而来，其中rigid直译就是“刚性”的意思。这种翻译本质上固然没有问题，但是对于对直升机系统了解甚少的读者而言，将其视为一种如同常见的螺旋桨一样的“刚度很大的旋翼”也是一种合乎情理的想象。但实际上，这个名字可以扩展为“（桨叶）刚性（连接在桨毂上的）旋翼”，同理，铰接式旋翼其实就叫“（桨叶）铰接式（连接在桨毂上的）旋翼”。为了保证科学命名规则的统一化而省略掉了括号中的词句，是造成刚性旋翼误解的主要原因。

把这些名词扩充完整之后，刚性旋翼和铰接式旋翼的对比也就更为直观了，两者最根本的区别是桨叶与桨毂之间的连接方式，而不是看桨叶到底“刚硬不刚硬”。

在直升机旋翼系统中，广义上的铰接式旋翼包括了“全铰接式旋翼”、“柔性铰旋翼”和“跷跷板式旋翼”（其中区别后续专门写铰接式旋翼详解），这些旋翼桨叶与桨毂之间有全套的铰链连接，包括：挥舞铰、摆振铰和变距铰，这些铰链可以使滚子轴承，也可以是弹性轴承，轴承不同，具体旋翼构型的名称就不同。

在三个铰之中，变距铰是用来改变桨距的，这个铰链在变距螺旋桨中也很常见，不算直升机的特色。挥舞铰和摆振铰就是直升机的特色了。相比于几乎始终在同一个平面旋转的螺旋桨，直升机的旋翼桨叶在旋转过程中，由于受力不均匀，会存在上下挥动（挥舞）和前后摆动（摆振）等结构运动。

加了铰链之后，这些结构运动的力矩传递到铰链就自动平衡掉了，不会再传递到桨毂上；那么没有这些铰链的刚性旋翼，因为桨叶和桨毂之间是刚性连接，这个力矩就会直接传递到桨毂上，这一点有好处也有坏处：好处就是结构简单、操纵响应更快、操纵功效更强，对应的就是直升机的维护性、机动性更好了；坏处就是桨毂需要有非常高的结构强度来承受这个力矩，这就会显著增加桨毂的整体重量，并可能产生较大的振动水平。

一般而言，直升机行业中会把没有挥舞铰和摆振铰，但仍有变距铰的旋翼称为“无铰式旋翼”；把三个铰链都没有的旋翼称为“无轴承旋翼”。而显然这两种旋翼都属于“刚性旋翼”的范畴。

刚性旋翼与刚硬的桨叶

从上文的逻辑中可以看出，无论桨叶刚硬不刚硬，都不影响它成为一副铰接式旋翼的一部分或者一副刚性旋翼的一部分。之所以部分大众认知中会把刚性旋翼和刚硬桨叶联系在一起，西科斯基的共轴刚性旋翼功不可没。

对于大多数直升机而言，材料刚度越高的桨叶，生产制造工艺的难度越大，桨叶的重量也会更大，所以并没有理由去为刚性旋翼搭配刚硬桨叶。

但是西科斯基的共轴刚性旋翼高速直升机不同，它的桨叶必须设计得很刚硬，才能避免高速飞行下可能的上下旋翼因挥舞而相互击打问题。从下面S-97的旋翼和卡-52旋翼对比可以看出，为了充分降低旋翼桨毂在高速飞行时候可能产生的巨大阻力，共轴刚性旋翼上下间距是非常小的，这就意味着，如果旋翼的挥舞程度比较大，就很容易打桨。

而随着直升机前飞速度增大，旋翼桨叶受力不均匀的程度也会增大，旋翼的挥舞程度也因而增大，为了确保在设计速度下，旋翼的挥舞程度能够被控制在一定范围内，桨叶必须要足够刚硬。

当然，在实际飞行中，大展弦比的细长桨叶即便“极其刚硬”，挥摆运动幅度也不会总是很小。这也就是为什么刚性旋翼搭配刚硬桨叶的西科斯基共轴高速直升机也出现过上下旋翼相互击打的事故。

可能也正是因为西科斯基的共轴刚性旋翼所展示出的极其刚硬的旋翼桨叶设计，才让许多人直观认为刚性旋翼=刚硬旋翼。不过刚性旋翼的历史要早得多，世界上最早的刚性旋翼直升机是洛克希德公司1959年开始研制的CL-475型直升机，这架直升机的诞生就是为了验证刚性旋翼是否可行而制造的。

虽然CL-475的刚性旋翼存在着诸如振动过大等一系列的问题，但是该机的研制工作为洛克希德积累了大量的刚性旋翼研制经验，这些经验促成了60年代初的洛克希德XH-51型直升机和随后的一代传奇AH-56A“夏延”直升机。这些直升机项目虽然最终都无疾而终，但是却大大推进了刚性旋翼技术的发展，我相信如果没有这些前置工作，西科斯基也很难在60年代末就开始推进XH-59A高速直升机的研制工作（共轴刚性旋翼的鼻祖）。

小型无人机的“旋翼”

本文的最后一部分简单聊一下咱们日常生活中最常见的“多旋翼无人机”。这些无人机的旋翼，如果按照我们前文所言的桨毂构型来划分的话，的确应该属于“刚性旋翼”的类别。但其实这些尺寸极小的旋翼，本质是“空气螺旋桨”的类别，而不是“直升机旋翼”，所以放在刚性旋翼中讨论并不妥。

有较真的读者朋友曾经跟我讨论过这个问题，并反问我：“既然不能归类到直升机旋翼，为什么不能直接叫多螺旋桨无人机（Multi-propeller），非要叫多旋翼无人机(Multi-rotor)呢？”

这其实是一个语义层面的问题。Rotor一词，在牛津大词典中的解释是“绕着中心点转动的机械部件”，你看下面这张图，全是Rotor（电机的转子）。

所以，Rotor在英文中是一个非常通用的概念，不管是电机、风扇、螺旋桨、旋翼，都可以是Rotor。但是，我们更习惯于把主要产生推拉力rotor的叫做螺旋桨，主要产生升力的rotor叫旋转机翼或者旋翼。这也就形成了中文语境下螺旋桨和旋翼之间的差别：当一个螺旋桨作为主要升力面的时候，我们就将其称为“旋翼”，但如果一定要对其构型分类的话，将其分类到“螺旋桨”仍然是最佳的选择。

二、四旋翼飞行器功能介绍？

四旋翼飞行器拥有对称分布在身体的前后左右的四只“翅膀”，它们在同一高度的平面上，大小完全相同，由四个对称分布在“翅膀”支架端的电机提供动力，支架中间安放着GPS、陀螺仪、加速度计、感应器、视觉感应系统和红外线测距装置等。

三、四旋翼飞行器的操作？

四旋翼飞行器，是时下孩子们最喜欢的玩具之一，它不仅可以锻炼孩子们对飞机的掌控能力，锻炼视力，而且可以培养学生基本的无人机操控水平。那么，如何简单地使用四旋翼飞行器呢？简单的给大家讲讲：

工具/原料

四旋翼飞行器1个 小操作台1个

方法/步骤

第一步，将四旋翼飞行器的开关调至ON，将遥控器的开关调至ON！

第二步，把遥控器的摇杆，上下左右摇杆推拉一下，进行配对，如果遥控器鸣一声，则视为配对成功。

第三步，推动摇杆，进行四旋翼飞行器的控制。

第四步，拉杆推动练习，将左摇杆推上即为飞机往上向上飞，如果将左摇杆向下推则为下降，右摇杆则为控制左右前进方向。

第五步降落，缓缓地将摇杆向下拉，右右摇杆不要动左摇杆慢慢的向下拉直至降落成功。

注意事项

1、操控时，必须在空旷的场所进行操作，否则容易使飞行器收到损坏。

2、最好由大人陪同孩子一起操控，避免一些简单的事故发生。

四、暴龙四旋翼飞行器怎么起飞？

暴龙四旋翼飞行器需要手动起飞因为暴龙四旋翼飞行器采用的是垂直起降，需要通过把油门推到最高，然后插电启动遥控器，再插电启动飞行器，最后通过手动把油门推到一定高度，使其起飞需要注意的是，在起飞前必须要确保周围环境安全，并且需要在空旷的地方进行起飞，避免撞上树木或者建筑物另外，起飞前还需要检查飞行器的电池和机身是否有损坏，确保飞行的安全性

五、旋翼飞行器技术专业怎么样？

该专业非常好，多旋翼载人飞行器发展空间广阔，自身性能也有提升空间。多旋翼载人飞行器厂商可以从需求、方案、技术三个方面入手。专业多旋翼载人飞行器已通过检测认证。虽然市场同类产品载人飞行器的采购成本最低，但空白时间短，遥控和传输距离很短。

除了具有较长的飞行时间和飞行半径，能够提供多任务挂载外，除了满足日常监管的需要，在应对突发情况时也必将发挥不可替代的作用。

六、新手如何自制四旋翼？

真羡慕考研完还有一段时间干自己想干的事情，我现在天天苦逼的实习写代码。

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大学里玩四轴一年左右，主要是为了参加电子设计竞赛，用STM32，瑞萨，MSP430都做过。

不过现在做个四轴应该挺简单的，只要题主花点点时间。

我就说说我的经历吧，不一定对，只供参考。

一.硬件

1.四轴硬件

既然题主你是玩过固定翼航模的，那买这些对你来说不是什么难事了。电机朗宇还好吧，普通一点的40元一个，好点的80元一个。电调就好盈。这里机架的话不推荐太大，太大调试的时候容易出危险，推荐330或者250就够了~

2.飞控板

飞控板的制作看你自己选，一般有3种方法，第一种就是洞洞板焊接，这种的话飞控板不美观，第二种就是用AD10画个电路板自己热转印然后用FeCl3腐蚀，一般学校里会有这种机器，这样需要注意的是布线需要宽一点，孔径大点，不然到时候线断了是极为蛋疼的。。。第三种是AD10画好版后拿到工厂去打板，这个是需要保证你画的没问题，电路经过检测才能好用，一般在100以下，推荐嘉立创。。。。

二.软件

1.飞控程序

其实一个四轴飞控可以分为几个部分：传感器信号采集，数据处理，PID控制输出。

这里推荐你用STM32，资源多，速度快，资料多。

a.信号采集：现在用的比较多的传感器芯片是MPU6050或者MPU9250，前者是6轴，后者是9轴，

你只需要一个IIC或者SPI协议将他们的数据从寄存器中读取出来。

b.姿态融合：

这里我们用的比较多的是德国人飞控中的PI互补滤波，（这个我不是很懂，算法直接抄的）

通过陀螺仪获取当前的飞行数据，在解算中采用四元数来表示旋转。

定义一个四元数

对四元数进行单位化，用来表示一个旋转

将两个四元数相乘

创造运算，将旋转转换为四元数

创造运算，用R(q)表示四元数q对应的矩阵

旋转的组合用四元数的乘法实现

将四元数表示转为欧拉角表示

题主有兴趣可以看看这方面的资料有关于欧拉角，四元数的资料。

c.PID控制

这里推荐用串级PID控制，比起单级的更稳，响应更快。

串级PID：内环角速度环（PID），外环角度环（P）

心得：先调内环P，再调I，再调D 内环调完四轴会稳在一个角度

外环加上后 四轴的响应和平衡都会比单级有明显的改善。

d.附加：如果题主想让四轴更好玩，可以加超声波传感器实现定高，（推荐KS103,精度高0---8M）

调试的时候也无非加个PID而已， 可以加入摄像头，我当时加了一个OV7620，实现四轴的巡黑线, ， 再难一点可以加入光流传感器，可以实现室内定位（具体算法可以参考APM飞控），光流我当时没成功，不过一个实验室的有个同学勉强实现了。

2.遥控：

a.你可以使用遥控器，对于你玩过固定翼航模来说，你只需实现与飞控连接即可，具体就是多几路定时器捕获通道，捕获固定的脉宽就可以。

b.手机APP，可以使用蓝牙串口与手机连接。距离比较短。

c.电脑上位机：推荐自己写上位机，如果不想写可以用匿名上位机，用的还不错。

如果自己写，可以用c#或者QT写。

我当时是用QT写的一个简单的上位机，可以实现键盘WSAD控制方向。

大楷就是这样，如果题主还有什么疑问可以一起交流，这也只是我一个人的观点。

祝玩的愉快！

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2016.4.14 update 一下

传个四轴的视频，定高30CM左右，QT控制，哈哈

七、四旋翼飞行器需要几个电调，八翼的呢？

四旋翼的需要四个电调，分别控制四个电机。

八、暴龙四旋翼飞行器说明书？

机体上有个非常小的开关，首先要打开它，打开后机体会有灯光，然后打开摇控的开关，把开关拔到中间，等待飞机和摇控相互感应十秒钟{生手才等，熟手会转动摇控的摇制键}再推动控制按钮，一般左边控制是前后左右，右边是起飞。你要先慢慢起飞才可以再前后左右。切记不能一推到底要慢慢地推。

如在起飞时会打转，就调摇控上有个单独的按钮，象以前收音机调声音的一样，慢慢转动一直到它平稳

九、主旋翼系统由什么组成？

旋翼也称主旋翼是直升机上产生升力的主要旋转组件，同时也可为直升机提供推进力和操纵力。

直升机旋翼系统主要包括旋翼桨叶，旋翼桨毂及。自动倾斜器也有说自动倾斜器不属于旋翼系统而属于操作系统。

旋翼桨叶的材料是直升机划时代的一个很重要依据，一代机的木质浆叶，二代机的纯金属浆叶，三代机的复合材料浆叶。

十、如何去写关于四旋翼飞行器的论文？

四轴的主要是为了两两相互抵消螺旋桨转动的时候所产生的扭矩，对角线相同方向，然后注意微调节机身平衡，保证四个螺旋桨式正反桨各2各，四个马达的功率相同。这样就行了，但是还是需要慢慢的试验，调节，并不是一次就能成功的