四旋翼無人機(jī)飛行原理【其利天下無人機(jī)方案開發(fā)】

近年來，無人機(jī)憑借其在多個(gè)領(lǐng)域的便捷應(yīng)用，掀起了一場(chǎng)迅猛的發(fā)展潮流。尤其在當(dāng)今世界的多場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)中，無人機(jī)的嶄新戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用達(dá)到了淋漓盡致的高潮，成為軍事領(lǐng)域的璀璨之星。

無人機(jī)行業(yè)的近年蓬勃發(fā)展，宛如一片璀璨的新星匯聚成的輝煌星空。創(chuàng)新和科技的融合將無人機(jī)推向生活的前沿，成為引領(lǐng)時(shí)代的先鋒。這是一場(chǎng)風(fēng)起云涌的科技巨變，為我們描繪出了一個(gè)嶄新而引人入勝的無人機(jī)時(shí)代。

下面我們針對(duì)生活中常見的四旋翼無人機(jī)的飛行原理做個(gè)基礎(chǔ)的介紹。

一：四旋翼無人機(jī)的兩種結(jié)構(gòu)模型介紹

一般情況下，根據(jù)四旋翼無人機(jī)上馬達(dá)分部的相對(duì)位置將四旋翼無人機(jī)分為如下兩種結(jié)構(gòu)模式

“×”字模式： Pitch和 Roll與1,3、2,4兩組電機(jī)呈 45°夾角 。
“十”字模式： Pitch對(duì)應(yīng)2,4電機(jī)的對(duì)軸，Roll對(duì)應(yīng)1,3電機(jī)的對(duì)軸，夾角為0。

一般的無人機(jī)基本都采用“X”字模式的結(jié)構(gòu)。“X”型無人機(jī)優(yōu)點(diǎn)是控制靈活，同樣是俯仰運(yùn)動(dòng)中，“x”型無人機(jī)需要控制四個(gè)電機(jī);具體表現(xiàn)為，前兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速同時(shí)增大（減小），后兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速同時(shí)減?。ㄔ龃螅?。因?yàn)槠溥\(yùn)動(dòng)是四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速同時(shí)變化，運(yùn)動(dòng)（俯仰運(yùn)動(dòng)）的合力來源于四個(gè)電機(jī)（“+”型只有前后兩個(gè)電機(jī)提供力），所以其運(yùn)動(dòng)的加速度更快，運(yùn)動(dòng)更加靈活。但是同樣，控制四個(gè)電機(jī)使飛行器穩(wěn)定的難度要大于控制兩個(gè)電機(jī)，所以控制難度高是“X”型無人機(jī)一個(gè)缺點(diǎn)。鑒于現(xiàn)階段商業(yè)飛控，開源飛控都已經(jīng)有很成熟的算法控制飛行器穩(wěn)定飛行，且“X”型飛行器易于懸掛云臺(tái)，所以市面上的四軸飛行器絕大部分都是“X”型或“H”型，很少看到有“+”型。

“H”型無人機(jī)類似于“X”型，這里就不過多贅述了。只講其一個(gè)缺點(diǎn)，“H”型無人機(jī)因?yàn)槲锢斫Y(jié)構(gòu)問題，其飛行器的腰部很容易扭折，所以市面上的“H”型無人機(jī)都會(huì)對(duì)腰部進(jìn)行加固，但是如果操作不當(dāng)，還是容易損壞。

“+”型的四軸飛行器因?yàn)槠潆姍C(jī)布局和兩個(gè)姿態(tài)角（俯仰角和翻滾角）重合，其控制難度較小。舉個(gè)例子，“+”型飛行器想要進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)，只需控制前后兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，左右電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變即可，所以其控制飛行器穩(wěn)定的難度較小，相對(duì)來說易于控制。

二：四旋翼飛行器的6個(gè)自由度介紹

四旋翼飛行器的旋翼結(jié)構(gòu)如圖a所示。飛行時(shí)，以1號(hào)電機(jī)為機(jī)頭，3號(hào)電機(jī)為機(jī)尾，2號(hào)和4號(hào)電機(jī)分別位于機(jī)身的左、右側(cè)。當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí)，電機(jī)1和電機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2和電機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)以抵消電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的陀螺效應(yīng)和空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)使飛行器發(fā)生自旋。四旋翼飛行器在空間共有6個(gè)自由度（分別沿3個(gè)坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作），對(duì)每個(gè)自由度的控制我們都可以通過調(diào)節(jié)不同電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。下面逐個(gè)說明飛行器的各種飛行姿態(tài)。

（1）垂直運(yùn)動(dòng)

如圖a，1號(hào)和3號(hào)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，2號(hào)和4號(hào)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)來平衡其對(duì)機(jī)身的反扭矩。如果同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速（圖中各個(gè)電機(jī)中心引出的向上箭頭表示加速，若箭頭向下表示減速），每個(gè)電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳產(chǎn)生更大的升力，當(dāng)合力足以克服整機(jī)的重量時(shí)，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時(shí)減小四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，四旋翼飛行器則垂直下降，當(dāng)旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重且無外界干擾時(shí)，飛行器便可保持懸停狀態(tài)。

（2）俯仰運(yùn)動(dòng)

如圖b所示，電機(jī)1的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)2、電機(jī)4的轉(zhuǎn)速保持不變（圖中各個(gè)電機(jī)中心引出的向上箭頭表示加速，若箭頭向下表示減速，沒有箭頭表示速度不變）。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞Y軸旋轉(zhuǎn)（方向如圖b所示）。同理，當(dāng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升時(shí)，機(jī)身便繞Y軸反方向旋轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)了飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。

（3）滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

與圖b的原理相同，在圖c中，改變電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機(jī)身繞X軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實(shí)現(xiàn)飛行器的左右滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

（4）偏航運(yùn)動(dòng)

如圖d所示，四旋翼飛行器偏航運(yùn)動(dòng)就是繞自身垂直軸Z軸旋轉(zhuǎn)，可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來實(shí)現(xiàn)。旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)過程中由于空氣阻力作用會(huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩。為了克服反扭矩的影響，可使四個(gè)旋翼中的兩個(gè)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)反轉(zhuǎn)，且對(duì)角線上的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，四個(gè)旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，不平衡的反扭矩會(huì)引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動(dòng)。

在圖d中，當(dāng)電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速下降時(shí)，旋翼1和旋翼3對(duì)機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對(duì)機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在不平衡反扭矩的作用下繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向與電機(jī)1、電機(jī)3的轉(zhuǎn)向相反。

（5）前后運(yùn)動(dòng)

如圖e所示，增加電機(jī)3轉(zhuǎn)速，使尾部拉力增大；相應(yīng)減小電機(jī)1轉(zhuǎn)速，使頭部拉力減?。煌瑫r(shí)保持其它兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。按圖b的理論，飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實(shí)現(xiàn)飛行器的前飛運(yùn)動(dòng)（向后飛行與向前飛行正好相反）。當(dāng)然在圖b，圖c中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生沿X、Y軸的水平運(yùn)動(dòng)。

（6）側(cè)向運(yùn)動(dòng)

在圖f中，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以側(cè)向飛行的工作原理與前后運(yùn)動(dòng)完全一樣。