質問:
マルチローターに通常4つのプロペラがあるのはなぜですか?
anonymous2
2020-04-17 00:43:38 UTC
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ホバー対応ドローンには、ほとんどの場合4つのプロペラがあります。もちろんヘリコプターは2機ありますが、一般的に、UAVの大部分は4つのプロペラを搭載しているようです。

直感的には、これは効率が悪いはずです。摩擦点が増えると、より多くの配線、より多くの重量など...

たとえば、3つのプロペラではなく、4つのプロペラドローンが圧倒的に多いのはなぜですか?制御しやすいからなのか、それともスムーズな飛行ができるからなのか。それとも物理的な理由がありますか?

四 答え:
#1
+26
Kenn Sebesta
2020-04-17 01:03:59 UTC
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航空機の場合、制御したい6つの自由度(DoF)(roll-pitch-yaw、およびxyz)がありますが、ホバリング車両(つまり回転翼航空機)の場合は、2つの自由度(xy)を制御することで回避できます。 )他の4つの角度(roll-pitch-yaw + z)を組み合わせることによって。

これらの4つのDoFを制御する方法はたくさんあります。通常は、次のとおりです。可変ピッチブレードとメインローターとテールローターのいくつかの組み合わせにより、ロール、ピッチ、ヨー、スラストを制御できるようになります。

  • ヘリコプター、クワッドコプター、ヘキサコプター、オクトコプターなど。これらはすべて、ブレードを使用してロール、ピッチ、ヨー、スラストを制御します。
  • 4つのDoFすべてで安定した飛行を行うには、次の機能が必要です。各DoFを制御します。数学的には、クワッドコプターは仕事を遂行する単純なアクチュエーターの数が最も少ないです。各アクチュエータは単に速度を上げたり下げたりするだけで機能しますが、ヘリコプターやトリコプターは他の種類の作動、通常は複雑な作動を必要とします。実用的な観点からは、モーターの速度を上げたり下げたりする方が、回転するブレードの角度を変更するよりもはるかに堅牢であることがわかります

    クワッドコプター

    正式には、見た目はこのように:

    Quadcopter for Qids

    したがって、クワッドコプターはシンプルであるため、ヘリコプターやトリップコッターを支配します。各軸はモーター速度の特定の組み合わせによって制御され、すべての軸は独立しています。つまり、推力を上げるときに、ピッチの変更についても心配する必要はありません。

    では、ヘキサ、オクトなどを使用しないでください。 ...?

    ヘキサコプター

    ヘキサはさらに持ち上げることができますが、任意のモーターが停止したときに4つの軸すべてを安定させる方法がないため、追加の安全マージンは提供されません(確かにあります) 4つのセットのうち1つのモーターが故障した場合は飛行を継続できますが、他の2つのモーターのいずれかが故障した場合は飛行できない構成。

    ヘキサは、より小さなプロペラを使用するため、効率も低下します。 (ブレード理論に飛び込むことなく、いくらか単純化すると、最も効率的なブレードは、無限に大きく、無限にゆっくりと移動する単一のブレードです。)

    ヘキサには、4つの自由度のための6つのモーターもあります。いわゆる「過剰拘束」システムが得られます。あなたは実際にそれらを興味深い効果に傾けることができます、例えば。 CyPhyWorkのLVL1ドローン

    オクトコプター

    理論的には、任意のモーターが故障してもオクトスは飛行を続けることができますが、実際にはブレードに遭遇する可能性があります。オクトが飛行を維持することを可能にしない失速効果または他の病状。これは、通常のオクトが4つのモーターで安全に運ぶことができるポイントを超えてロードされるために発生します。ただし、高価なカメラを搭載した車両など、特定の高価値車両は、5万ドルのカメラを交換するよりも、オクトのバッテリーとモーターをオーバースペックする方が安価であるため、オクトスです。

    オクトスも少なくなります。ヘキサと同じ理由で効率的です。

    #2
    +11
    Drones and Whatnot
    2020-04-17 01:08:33 UTC
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    これは非常に興味深い質問であり、常に私のお気に入りの質問です。

    まず、回転翼航空機は通常、偶数のプロペラ(常にではありません)または慣性を打ち消すための別の方法を必要とします。小道具の。たとえば、ヘリコプターのテールブームの最後にプロペラがある理由を考えてみてください。メインプロペラの回転力に対抗する必要があります(システムでは、運動量を保存する必要があるため、テールブームがないと、上部のローターによってメインエアフレームが回転し、その質量に比例した動きに対抗します)。

    したがって、これに対抗するには、プロペラの数を偶数にするなどして、運動を回避するために小道具の回転慣性を合計してゼロにする必要があります。または、これに対抗するために推力の一部をベクトル化する方法が必要です。モーション。これは、ローターの1つにサーボがあるトリコプターで見ることができます。これにより、複雑さが増し、障害点が増えるため、ローターの数を偶数にするのが簡単になります。

    ローターが2つではなく4つあるということは、ヨーだけでなく、ピッチ軸とロール軸について考えてください。バイコプター用。ヨーイングを行う場合は、推力をベクトル化するか、プロペラのいずれかの方向の速度を下げる必要があります。

    前者はサーボを必要とし、これもさらに複雑になります。後者は推力の不均衡があり、航空機の向きによっては不要なピッチやロールが発生することを意味します。

    ただし、クワッドコプターでは、これらの問題は解消されます。小道具の各対角線セットの回転を互いに一致させることができます。ヨーイングしたい場合は、あるセットで推力を増やし、別のセットで推力を減らします。ピッチングまたはロールしたい場合は、慣性を維持し、ヨー運動を​​行わずに、隣接する小道具の推力を減らし、他の2つの小道具の推力を増やすことができます(下の図を参照)。また、推力が大きくなり、ペイロードが大きくなるという追加の利点もあります。

    これは、偶数のプロペラを搭載した航空機と同じ原理でスケールアップできるため、冗長性があります。1つのモーターまたはプロペラが故障した場合でも、他のモーターまたはプロペラが補うことができます。

    これがあなたの答えになることを願っています質問-私が見逃したと思われるものについては、遠慮なく説明を求めてください。

    An illustration of the movement of a drone’s rotors

    奇数のモーターはサーボを必要としません。MITからこの興味深い論文を見つけました: https://people.csail.mit.edu/taodu/pentacopter_guide/guide.pdf


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

    @KennSebestaは非常に真実です。メタについてのコンセンサスは、物理学を深く掘り下げることが必ずしも進むべき道ではないということであるように思われたので、私は単純化された答えを与えようとしていました。また、研究開発の目的では必ずしも偶数である必要はありませんが、商業および専門分野のほとんどの場合に当てはまるので、一般化しました。ただし、ご指摘いただきありがとうございます。わかりやすくするために編集を追加します。編集:答えを読み直したところ、偶数が要件であると言った場所がわかりません。それはオプションであるということだけです。何を編集すればいいのか明確にしていただけませんか?
    @KennSebesta申し訳ありませんが、他のコメントを削除しました。編集できず、少し対立しているように感じたからです。リンクへのリンクを共有していただきありがとうございます、見ていきます!
    @KennSebestaハハ私は対立しているように見えなくてよかったです-私は確かにそうするつもりはありませんでした!コメントを削除することを心配する必要はないと思います。コメントは私の回答にコンテキストを追加しますが、それは良いことです。
    #3
    +5
    user251
    2020-04-17 10:59:34 UTC
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    上記の答えは素晴らしいです。

    質問する人に私が与える最も簡単な答えは?:モーターの回転以外に、操縦翼面、リンケージ、可動部品がなくても、フル機能の飛行が可能です。これは信じられないほどシンプルで、安価で堅牢であり、飛行機械が進むにつれて本当にシンプルなデバイスです。これが、クワッドデザインを他のタイプよりも特別なものにしている理由です。

    うん。マルチは非常に効率の低い本当にひどい空力プラットフォームですが、フライからクラッシュ、フライまでの反復時間は数週間ではなく数分です。
    モーターは回転しているビットと回転していないビットの間にギャップを必要とするため、ドローンをソリッドステートデバイスにすることはできません。 https://en.wikipedia.org/wiki/Solid-state_electronicsを参照してください
    ええと、「ソリッドステート」のことについては何でも。答えのポイントは、マルチローターの唯一の機械部品はモーターであり、飛行機械のように単純であることを明確にすることでした。ただし、ウィキリンクは非常にスマートです。私は攻撃的なビットを取り除くために答えを編集しました...私が推測するありがとう。
    #4
      0
    Daniel Ribeiro
    2020-04-29 00:12:32 UTC
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    4 は、各プロペラの速度を制御する以外の制御方法を使用せずに、航空機の姿勢を制御するための最小数のプロペラです。

    唯一の移動クワッドコプターの一部はローターです。また、利用可能な唯一の制御方法は、各ローターの回転速度を正確に制御することです。

    可動部品が最も少ないほど、故障の可能性は低くなります。

    また、 4つの小道具は、車両を小型化するための最も効率的な方法です。車両サイズの制約が固定されている場合、小道具を追加するには、各小道具のサイズを小さくする必要があり、小道具の効率が低下します。小道具が大きいほど、重量対出力(効率)の比率が高くなります。大まかな例として:1つの10インチのプロペラは100Wを使用して1kgの推力を生成しますが、5インチのプロペラは同じ量の推力を生成するために150Wを必要とします。

    奇妙な事実として:ヘリコプターには「その上にある「回転翼」であり、「プロペラ」ではありません。ヘリコプターは、回転翼が揚力を発生するため、エンジンが故障した後も飛行を維持でき、飛行機のように滑空して安全に着陸することができます。マルチローターには翼がないため、モーターが故障した場合、プロペラは姿勢制御を行いません。冗長性を持たせるには、ローターを追加する必要があります...しかし、マルチローター航空機に冗長性を追加するよりも信頼性の高いローターを作成する方が簡単です...そのため、そこにあるほとんどのマルチローターには正確に4つのローターがあります。

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