關(guān)于無人機(jī)的飛行控制原理分析

與無人駕駛技術(shù)所關(guān)注的車輛定位不同，無人機(jī)的位置必須用 x，y 和 z 三個(gè)坐標(biāo)才能確定，而且還需要關(guān)注飛行姿態(tài)的問題。鐘德夫在之前的文章《入門大疆 SDK 開發(fā)前，你需要了解這些…》提及到：

無人機(jī) app 的開發(fā)是面向三維的開發(fā)，了解空間坐標(biāo)系系統(tǒng)（負(fù)責(zé)定位），及 Roll、Pitch 和 Yaw 的原理（負(fù)責(zé)移動）將會對開發(fā)很有幫助。

所以今天就為大家整理一下涉及到飛行控制的一些概念：

飛行器朝向和運(yùn)動方向

對于高度對稱的多軸無人機(jī)來說，搞清楚飛行器的機(jī)頭方向是控制其運(yùn)動向量的重要概念。以大疆的飛行器為例，飛行器啟動后，我們可以根據(jù) LED 指示來判斷機(jī)頭方向（紅燈常亮代表機(jī)頭方向），另外也可以根據(jù) DJI Go （4） 界面里的姿態(tài)球功能來判斷機(jī)頭方向和運(yùn)動狀態(tài)。

姿態(tài)球顯示飛機(jī)的姿態(tài)變化、相對位置和機(jī)頭轉(zhuǎn)向：

1、飛機(jī)向前飛行時(shí)，藍(lán)色水平面相應(yīng)上升。

2、飛機(jī)向后飛行時(shí)，藍(lán)色水平面相應(yīng)下降。

3、飛機(jī)向右飛行時(shí)，藍(lán)色水平面朝右側(cè)傾斜。

4、飛機(jī)向左飛行時(shí)，藍(lán)色水平面朝左側(cè)傾斜。

5、飛機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)頭時(shí)，紅色飛機(jī)相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，尖角方向?yàn)闄C(jī)頭方向

6、姿態(tài)球中紅色飛機(jī)機(jī)頭方向有一束綠光，表示相機(jī)鏡頭朝向

7、姿態(tài)球中心表示遙控器所在位置，一束白光為遙控器朝向

三維坐標(biāo)系統(tǒng)

在我們地球的三維空間，我們通常用 3 個(gè)軸的矢量位移來描述一個(gè)物體在三維空間的運(yùn)動和位置，這三個(gè)軸通常表示為 x（經(jīng)度），y（緯度）和 z（高度）。而圍繞這 3 個(gè)軸的轉(zhuǎn)動所引起三種不同的運(yùn)動被稱為Roll， Pitch 和 Yaw。

飛行器的移動指令

Roll – 以 x 軸為軸心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，形成左右「失衡」的傾角

Pitch – 以 y 軸為軸心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，形成前后「翹動」的傾角

Yaw – 以 z 軸為軸心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生機(jī)頭朝向變化的傾角

Roll，Pitch 和 Yaw 的移動都由飛手通過對控制器上的 4 個(gè)油門進(jìn)行操作而完成。每種移動的快慢都可以通過改變對相應(yīng)的油門大小來完成。圖例如下，紅色代表機(jī)頭方向：

飛行器的飛行原理

多旋軸飛行器的各種運(yùn)動都是通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速（增減油門）來實(shí)現(xiàn)的，電機(jī)會帶動各軸上的螺旋槳旋轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生升力，在同一個(gè)軸坐標(biāo)中（如 x 軸），當(dāng)其中一側(cè)的螺旋槳升力大于另外一側(cè)，飛行器就會朝升力較大的一側(cè)飛行。

上面所介紹的 3 個(gè)移動指令形成的傾角，其實(shí)就代表著原本懸停在半空中的飛行器上各螺旋槳升力的變化，因此：

Roll 指令形成的傾角會產(chǎn)生左/右飛行的效果

Pitch 指令形成的傾角會產(chǎn)生前進(jìn)/后退飛行的效果

Yaw 指令則基于飛行器中心點(diǎn)改變旋轉(zhuǎn)機(jī)頭的朝向

小結(jié)

要真正理解底層的飛行原理，那是一門機(jī)械控制和空氣動力學(xué)混合的學(xué)科，這里就不加贅述了。但無論是普通飛行還是基于飛行器做開發(fā)，掌握一定的基礎(chǔ)知識還是有助于理解和掌握飛行器的飛行狀態(tài)，能在一定程度上降低「提控回家」的概率。