Słyszałem, jak wspomniano, że quadcoptery są z natury niestabilne i stają się stabilne tylko dzięki kontroli. Co w tym kontekście oznacza z natury niestabilny i dlaczego quadcoptery są z natury niestabilne?
Stabilny system to taki, w którym działa siła, która popycha system z powrotem do pierwotnego stanu, gdy system jest przesuwany z punktu równowagi.
Na przykład, gdy kierowca wsiada do samochodu, większy ciężar po jednej stronie samochodu niż po drugiej, ale samochód się nie przewraca. Sprężyny po tej stronie samochodu ściskają się i mocniej naciskają na koła. Opony mocniej naciskają na ziemię, a ziemia odpycha się. Dodatkowa siła z ziemi dokładnie równoważy dodatkowy ciężar i (po możliwym odbiciu się przez chwilę) samochód przestaje się poruszać.
W niestabilnym systemie powiedzmy miotłę wyważoną pionowo, gdy przesunie się z idealnej równowagi grawitacja punktowa pociągnie go dalej i przyspieszy.
W przypadku quadkoptera nie ma siły, która przywraca go do pierwotnego położenia, utrzymując go poziomo, a nawet uniemożliwiając stopniowe przechylenie.
Nawet jeśli siła ciągu każdego silnika była dokładnie taka sama, a waga doskonale wyważona, jest mało prawdopodobne, aby był idealnie nieruchomy. Jeśli występuje nawet niewielkie nachylenie lub przechylenie, kąt od poziomu będzie stopniowo wzrastał. Wraz ze wzrostem kąta rośnie ciąg boczny i dron przyspiesza.
Tak więc prędkość przechyłu jest stała, kąt i przyspieszenie rosną liniowo, prędkość pozioma rośnie szybciej wraz ze wzrostem przyspieszenia, a odległość od pozycja startowa rośnie jeszcze szybciej wraz ze wzrostem prędkości. Pilotowi wygląda na to, że dron przyspiesza od swojej pierwotnej pozycji, podobnie jak przewracająca się miotła.
Dla inżyniera systemów obrót drona jest neutralnie stabilny - nie ma zwiększających się ani zmniejszenie prędkości obrotowej. Jednak prędkość i pozycja są niestabilne - gdy zacznie się poruszać, przyspiesza.
Powinienem wspomnieć, że istnieją również siły drugiego rzędu (tj. stosunkowo niewielkie). Gdybyś miał dużą płetwę na szczycie drona, opór aerodynamiczny na płetwie przywróciłby drona do pionu wraz ze wzrostem prędkości i ograniczył maksymalną prędkość - w praktyce nie jest to przydatne, ponieważ nie przywraca drona do jego pierwotna pozycja.
Nieodłączna stabilność to koncepcja zaczerpnięta z aeronautyki - jest to tendencja statku powietrznego do powrotu do stanu równowagi po zwolnieniu elementów sterujących przez pilota. Quadkoptery nie są z natury stabilne.
Powiedzmy, że quadkopter toczy się w prawo:
Quadkopter wymaga aktywnych manewrów kontrowania, aby przywrócić go do nieruchomego zawisu:
Oznacza to, że quadkopter jest z natury niestabilny.
To nie do końca prawda, że quadcoptery są niestabilne. Większość komercyjnych helikopterów ma środek ciężkości znacznie poniżej płaszczyzny śmigła i dzięki temu jest faktycznie stabilna. W przeciwieństwie do tego chcesz, aby niektóre samoloty były niestabilne, aby uzyskać lepszą zwinność. Na przykład niektóre myśliwce odrzutowe są niestabilne i wymagają elektronicznej stabilizacji nawet podczas normalnego lotu do przodu.