四旋翼無人機飛行原理【其利天下無人機方案開發(fā)】

近年來，無人機憑借其在多個領(lǐng)域的便捷應(yīng)用，掀起了一場迅猛的發(fā)展潮流。尤其在當今世界的多場戰(zhàn)爭中，無人機的嶄新戰(zhàn)術(shù)運用達到了淋漓盡致的高潮，成為軍事領(lǐng)域的璀璨之星。

無人機行業(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推向生活的前沿，成為引領(lǐng)時代的先鋒。這是一場風(fēng)起云涌的科技巨變，為我們描繪出了一個嶄新而引人入勝的無人機時代。

下面我們針對生活中常見的四旋翼無人機的飛行原理做個基礎(chǔ)的介紹。

一：四旋翼無人機的兩種結(jié)構(gòu)模型介紹

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

“×”字模式： Pitch和 Roll與1,3、2,4兩組電機呈 45°夾角 。
“十”字模式： Pitch對應(yīng)2,4電機的對軸，Roll對應(yīng)1,3電機的對軸，夾角為0。

一般的無人機基本都采用“X”字模式的結(jié)構(gòu)?！癤”型無人機優(yōu)點是控制靈活，同樣是俯仰運動中，“x”型無人機需要控制四個電機;具體表現(xiàn)為，前兩個電機轉(zhuǎn)速同時增大（減?。?，后兩個電機轉(zhuǎn)速同時減?。ㄔ龃螅Ｒ驗槠溥\動是四個電機轉(zhuǎn)速同時變化，運動（俯仰運動）的合力來源于四個電機（“+”型只有前后兩個電機提供力），所以其運動的加速度更快，運動更加靈活。但是同樣，控制四個電機使飛行器穩(wěn)定的難度要大于控制兩個電機，所以控制難度高是“X”型無人機一個缺點。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，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”型無人機類似于“X”型，這里就不過多贅述了。只講其一個缺點，“H”型無人機因為物理結(jié)構(gòu)問題，其飛行器的腰部很容易扭折，所以市面上的“H”型無人機都會對腰部進行加固，但是如果操作不當，還是容易損壞。

“+”型的四軸飛行器因為其電機布局和兩個姿態(tài)角（俯仰角和翻滾角）重合，其控制難度較小。舉個例子，“+”型飛行器想要進行俯仰運動時，只需控制前后兩個電機的轉(zhuǎn)速，左右電機轉(zhuǎn)速保持不變即可，所以其控制飛行器穩(wěn)定的難度較小，相對來說易于控制。

二：四旋翼飛行器的6個自由度介紹

四旋翼飛行器的旋翼結(jié)構(gòu)如圖a所示。飛行時，以1號電機為機頭，3號電機為機尾，2號和4號電機分別位于機身的左、右側(cè)。當飛行器平衡飛行時，電機1和電機3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機2和電機4順時針旋轉(zhuǎn)以抵消電機在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)使飛行器發(fā)生自旋。四旋翼飛行器在空間共有6個自由度（分別沿3個坐標軸作平移和旋轉(zhuǎn)動作），對每個自由度的控制我們都可以通過調(diào)節(jié)不同電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。下面逐個說明飛行器的各種飛行姿態(tài)。

（1）垂直運動

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

（2）俯仰運動

如圖b所示，電機1的轉(zhuǎn)速上升，電機3的轉(zhuǎn)速下降，電機2、電機4的轉(zhuǎn)速保持不變（圖中各個電機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身繞Y軸旋轉(zhuǎn)（方向如圖b所示）。同理，當電機1的轉(zhuǎn)速下降，電機3的轉(zhuǎn)速上升時，機身便繞Y軸反方向旋轉(zhuǎn)。實現(xiàn)了飛行器的俯仰運動。

（3）滾轉(zhuǎn)運動

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

（4）偏航運動

如圖d所示，四旋翼飛行器偏航運動就是繞自身垂直軸Z軸旋轉(zhuǎn)，可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來實現(xiàn)。旋翼轉(zhuǎn)動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉(zhuǎn)動方向相反的反扭矩。為了克服反扭矩的影響，可使四個旋翼中的兩個正轉(zhuǎn)，兩個反轉(zhuǎn)，且對角線上的電機轉(zhuǎn)動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當四個電機轉(zhuǎn)速相同時，四個旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動；當四個電機轉(zhuǎn)速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動。

在圖d中，當電機1和電機3的轉(zhuǎn)速上升，電機2和電機4的轉(zhuǎn)速下降時，旋翼1和旋翼3對機身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在不平衡反扭矩的作用下繞Z軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)飛行器的偏航運動，轉(zhuǎn)向與電機1、電機3的轉(zhuǎn)向相反。

（5）前后運動

如圖e所示，增加電機3轉(zhuǎn)速，使尾部拉力增大；相應(yīng)減小電機1轉(zhuǎn)速，使頭部拉力減??；同時保持其它兩個電機轉(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，因此可以實現(xiàn)飛行器的前飛運動（向后飛行與向前飛行正好相反）。當然在圖b，圖c中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運動的同時也會產(chǎn)生沿X、Y軸的水平運動。

（6）側(cè)向運動

在圖f中，由于結(jié)構(gòu)對稱，所以側(cè)向飛行的工作原理與前后運動完全一樣。