I.はじめに
飛ぶことは人類が熱心に追求する夢です。荘子の「風に逆らう」や「揺れる」から、武道や幽霊小説の刀で飛ぶ軽快な作品まで、さまざまなテキストやトーテムが飛ぶというシンプルな理想に満ちています。彼の心の中で。空飛ぶ夢。科学と工学の大きな男の子にとって、飛行機を作るのはもっと魅力的かもしれません！インターネット時代の知識の共有とオープンソースコミュニティの普及により、これはもはや難しくありません。実際、学びたい場合は、多くのリソースを利用できます。ドアを開けると、まったく新しい世界が見えてきます。学習はもはや退屈で苦痛ではありませんが、とても鮮やかで興味深いものになります。私の記事を読んだ友人たちが、理論や技術への恐れを捨て、彼らの興味に従い、彼らの本来の意図に従うことを願っています。一緒に勉強して一緒に進んでいきます〜
前回の記事では、5つの記事に分かれた最初のシリーズの記事「四輪駆動のSTM32実現」を書きました。この記事から始まるのは、私の第2シリーズの記事「STM32水中クワッドコプターの実現」です。このストーリーをうまく伝えるために約14の記事を使用する予定です。より鮮やかで有益なコンテンツと表現を使用して、もう少し複雑な理論とコード。私の「四輪駆動車のSTM32実現」シリーズの記事を読むと、新しい水中クワッドローターシリーズの記事が車シリーズと非常に似ていることがわかります。実際、前にも言ったように、水中クワッドコプターとトロリーは同じコードフレームワークであり、進歩的な関係にあります。私の記事をより独立させるために、一部のコンテンツは以前の記事と繰り返される場合があります。友人が見つけた場合は、ご容赦ください。
予備的な記事の順序は次のとおりです（更新された章には、リンクをクリックして直接アクセスできます）。
- STM32は水中クワッドローター（1）の飛行原理を実現します
- STM32は水中クワッドローター（2）のハードウェアリストとソフトウェア設計を実現します
- STM32は、水中クワッドローター（3）通信タスク-リモート制御SBUS通信を実現します
- STM32は、水中クワッドローター（4）センシングタスク1-姿勢計算原理を実現します
- STM32は水中クワッドローター（5）カスタムナビゲーションデータを実現します
- STM32は水中クワッドローター（6）センシングタスク2姿勢計算コード記事を実現します
- STM32は、水中クワッドローター（7）センシングタスク3を実現します-水深データの読み取り（MS5837水深センサーを使用）
- STM32は、水中クワッドローター（8）センシングタスク4バッテリーパワー検出を実現します
- STM32は、水中クワッドローター（9）の飛行制御タスク1-姿勢カスケードPID制御を実現します。
- STM32は、水中クワッドローター（10）飛行制御タスク2モーター混合制御（制御分布）を実現します。
- STM32は水中クワッドローター（11）飛行制御ミッション4深度制御を実現します
- STM32は、水中クワッドローター（12）PIDパラメーターのパワーオフセーブを実現します
- STM32は、水中クワッドローター（13）データ送信タスク1（LabWindowsCVIに基づく）を実現します-通信プロトコル
- STM32は、水中クワッドローター（14）データ送信タスク2（LabWindowsCVIに基づく）を実現します-ダウンリンクデータ
- STM32は、水中クワッドローター（15）データ送信タスク3（LabWindowsCVIに基づく）を実現します-アップリンクデータ
2.一般的な航空機の分類
一般的な小型航空機は、図に示すように、主に3つのカテゴリに分類されます。
固定翼航空機：固定翼機の場合、前方対気速度は推力システムによって生成されます。航空機が高速で前進しているとき、気流は翼に作用して揚力を生成し、航空機の重力のバランスを取ります。固定翼は、水平舵面と垂直舵面（エルロン、水平尾翼、垂直尾翼など）の掃引角度に依存して、ローリングモーション、ピッチングモーション、ヨーモーションを調整します。通常、方位は次の組み合わせで調整されます。ローリングとピッチングの動き。固定翼機のメリットは、構造がシンプルで飛行距離が長く、エネルギー消費量が少ないことです。デメリットは、離着陸に滑走路やカタパルトが必要で、垂直に離着陸できないことです。
シングルローターヘリコプター：ヘリコプターは一種の回転翼航空機であり、その揚力はローターによって直接提供されます。シングルローターヘリコプターには、サイクリックピッチレバー、コレクティブピッチコントロールレバー、ペダル、スロットルの4つの制御入力があり、コレクティブピッチコントロールレバーはローターの迎え角（または迎え角）を制御します。シングルローターの回転によるヘリコプターのスピン効果を解決するために、通常、水平パドルがテールに追加されてスピンを打ち消します。また、回転時にテールローターによってトルクを増加させることもできます。シングルローターヘリコプターの利点は垂直離着陸ですが、欠点は耐久性が短く、機械的構造が複雑で、メンテナンスが難しく、飛行速度が遅いことです。
マルチローター航空機：マルチコプター航空機は、3つ以上のプロペラを備えた一種のヘリコプターと見なすことができ、垂直離着陸の能力があります。最も一般的なのはクワッドローターです。クワッドローターは、ローターの回転速度を制御することにより、リフトの迅速な調整を実現します。マルチローター構造は対称性があるため、プロペラ間の反トルクが互いに打ち消し合うことができます。マルチローターとクワッドローターの違いは、張力とトルクを各プロペラに分配する方法だけであり、これは本質的に同じです。マルチローターの利点は、操作が簡単で、信頼性が高く、メンテナンスコストが低く、垂直離着陸ができることです。欠点は、運搬時間と耐久時間が短いことです。
現在、マルチローター航空機は非常に人気があり、アルゴリズムは比較的成熟しており、ソフトウェアとハードウェアのソリューションを迅速に構築できます。このシリーズの記事では、クワッドローターの水中ビークルがクワッドローターの原理に基づいて設計および製造されています。
3.クワッドコプターの飛行制御
図に示すX字型のレイアウトでは、4つのローターに時計回りに1、2、3、4の番号が付けられ、点線はローターの回転方向を示しています。その後、時計回り（CW）と反時計回り（CCW）を使って表現しました（多くの場合、プロペラと回転方向を表すために前方プロペラまたは後方プロペラが使用されています。逆で、めまいがします）。ローターが回転すると、胴体の回転方向と反対の反トルクが発生します。マルチローターのフロントプロペラとバックプロペラは対称的に取り付けられているため、反トルク力は互いに打ち消し合うことができます。理想的な状況では、現在の4つのローターの回転速度が同じで、引っ張りが等しいと仮定すると、引っ張りの合計は重力を相殺するだけで、4つのローターは吊り下げられた状態になります。
上下移動：4つのプロペラの速度を同じ量だけ増加させると同時に、プロペラの合計引張力は増加しますが、合計トルクはゼロのままです。引っ張り力が重力よりも大きい場合、クワッドローターは加速して上昇し、4つのプロペラの速度が同時に同じ量だけ減速し、合計の引っ張り力が重力よりも小さい場合、クワッドローターは加速します。ローターが落下します。
前後の動き：No.2とNo.3の速度を同じ量だけ上げ、No.1とNo.4の速度を同じ量だけ下げると、リアプルはフロントプル、クワッドローターよりも大きくなります前方にピッチング（頭を下に）し、全体を引くと前方に量が生成されます。重量。同時に、引張力の垂直成分が減少し、マルチローターの重力と等しくなくなるため、4つのプロペラの速度を同じ量だけ増加させて、マルチローターの水平前進飛行運動を実現するための重力。同様に、後方への水平飛行を実現できます。
左右の動き：1番と2番の速度を同じ量だけ下げ、3番と4番の速度を同じ量だけ上げます。胴体は右に回転し、次に合計張力は右向きの成分を生成します。同時に、引張力の垂直成分が減少し、マルチローターの重力と等しくなくなるため、4つのプロペラの速度を同じ量だけ増加させて、マルチローターの水平方向の右方向への飛行運動を実現するための重力。同様に、左への水平飛行を実現できます。
ヨーの動き：1番と3番の速度を同じ量だけ上げ、2番と4番の速度を同じ量だけ下げます。このとき、時計回りのトルクが増加し、反時計回りのトルクが増加します。減少します。総トルクは時計回りです。、クアッドコプターは時計回りに回転します。この時点では、全体の張力は変化しておらず、上下の動きは発生しません。同様に、反時計回りの水平回転を実現できます。
4.ワンポイントの説明：水中クワッドコプターを書くときに飛行の原理を書く必要があるのはなぜですか
では、なぜ水中クワッドコプターを書くときに飛行原理を書くのでしょうか？水中での水中ビークルの動きと空中での無人航空機の動きを比較することができます。水中の抵抗と揚力係数の違いに加えて、空気、それらの性質は同じであり、アルゴリズムは完全に普遍的です。クワッドコプターの設計と実装を見たい場合は、離れないでください。それらはすべてユニバーサルであることがわかります。もちろん、水と空気の2つの流体の特性は完全に異なります。これにより、水中クワッドローターと空中クワッドローターの制御効果と操作性が大きく異なります。これについては後で説明します。次の記事では、水中ビークルを構築するために必要なハードウェアとソフトウェアの準備を紹介します。