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四軸飛行器作為低成本的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在各個(gè)領(lǐng)域都有發(fā)揮作用的潛力。對(duì)比于其他類型的飛行器，四軸飛行器擁有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，飛行效率高，機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)點(diǎn)。本文主要闡述四軸飛行器的工作原理。

四軸飛行器幾乎是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的飛行器，控制上也相對(duì)容易對(duì)其進(jìn)行分析。四個(gè)旋翼分別產(chǎn)生四個(gè)垂直方向的力和四個(gè)反扭力，當(dāng)這八個(gè)力處于平衡狀態(tài)時(shí)，四軸飛行器可以在靜 止的空氣中平穩(wěn)懸停，當(dāng)控制其中一個(gè)或者多個(gè)力共同改變時(shí)，四軸飛行器將可以離開平穩(wěn)狀態(tài)向所需要的方向進(jìn)行改變。

四軸飛行器工作過程中本身是不穩(wěn)定的，需要一套飛行控制系統(tǒng)對(duì)每一個(gè)電機(jī)的輸出量 進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。這套系統(tǒng)需要做的工作是檢測(cè)四軸飛行器當(dāng)前所處的姿態(tài)，并計(jì)算出控制量， 同時(shí)控制四個(gè)電機(jī)，即可使飛行器的受力發(fā)生改變。圖 2-1 四軸飛行器飛行原理 展現(xiàn)了其 懸停時(shí)四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一致。圖 2-2 四軸飛行器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 為四軸飛行器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的例 子，1、3 號(hào)電機(jī)減速，2、4 號(hào)電機(jī)加速。其余控制情況類似。 

圖 2-1 四軸飛行器飛行原理 

圖 2-2 四軸飛行器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的主要工作過程分為兩個(gè)部分。第一部分為姿態(tài)解算，控制中心通過多 個(gè)不同的慣性傳感器和電子羅盤獲取當(dāng)前四軸飛行器的姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過四元數(shù)算法和互補(bǔ)濾 波器進(jìn)行融合后姿態(tài)積分，而后通過四元數(shù)轉(zhuǎn)歐拉角矩陣，得出當(dāng)前的飛行器姿態(tài)角度。第二部分為控制算法，控制中心利用當(dāng)前的姿態(tài)角度與期望姿態(tài)角度做對(duì)比，得到偏差角度,將偏差角度輸入 PID 控制算法，即可輸出三個(gè)方向上的修正量。最后，利用三個(gè)方向的修正量，通過映射關(guān)系，映射到四個(gè)電機(jī)輸出，即可實(shí)現(xiàn)飛行器自動(dòng)控制飛行。

四軸飛行器的硬件組成主要由飛行控制板、電源管理模塊以及無刷電子調(diào)速器三部分組成：飛行控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)計(jì)算當(dāng)前飛行器的姿態(tài)，并輸出控制量。飛行控制板上搭載有三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、三軸磁阻傳感器、大氣壓力傳感器和 GPS 模 塊；電源模塊主要負(fù)責(zé)整個(gè)四軸飛行器的供電，同時(shí)負(fù)責(zé)監(jiān)控供電鋰電池的電量情況，以確保四軸飛行器能夠有正常的電量供給。無刷電子調(diào)速器主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)三相無感無刷電機(jī)，其 工作過程中，受飛行控制板的指揮調(diào)控，根據(jù)飛行控制板所提供的相關(guān)參量輸出控制無刷電機(jī)。

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），這 6 個(gè) 自由度的控制都可以通過調(diào)節(jié)不同電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)；

其基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別為：

1. 垂直運(yùn)動(dòng) 在圖a中，因有兩對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對(duì)機(jī)身的反扭矩，當(dāng)同時(shí)增加 四個(gè)電機(jī)的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當(dāng)總拉力足以克服整機(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)的輸出功率，四 旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實(shí)現(xiàn)了沿 z 軸的垂直運(yùn)動(dòng)；當(dāng)外界擾動(dòng)量 為零時(shí)，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時(shí)，飛行器便保持懸停狀態(tài)；保證四 個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速同步增加或減小是垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵； 

2. 俯仰運(yùn)動(dòng)在圖b中，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；為了不因?yàn)樾�翼轉(zhuǎn)速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變，旋翼1與旋翼3轉(zhuǎn)速該變量的大小應(yīng)相等；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，機(jī)身便繞y軸向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)； 

3. 滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與圖b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)飛行器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；

4. 偏航運(yùn)動(dòng)四旋翼飛行器偏航運(yùn)動(dòng)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)角線上的來年各個(gè)旋翼轉(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)身便在富余反扭矩的作用下繞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) 要想實(shí)現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運(yùn)動(dòng)，必須在水平面內(nèi)對(duì)飛行器施加 一定的力；在圖e中，增加電機(jī)3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機(jī)1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時(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；