四轴飞行器

结构原理

结构特徵

如图所示，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。

四轴飞行器是一个在空间具有6个活动自由度(分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作)，但是只有4个控製自由度(四个电机的转速)的系统，因此被称为欠驱动系统(只有当控製自由度等于活动自由度的时候才是完整驱动系统)。不过对于姿态控製本身(分别沿3个坐标轴作旋转动作)，它确实是完整驱动的。

与直升机相比，四轴飞行器可以实现的飞行姿态较少，不过基本的前进、后退、平移等状态都可以实现。但是四轴飞行器的机械结构远远比直升机简单，维修和更换的开销也非常小，这让四轴飞行器有了比直升机更大的套用优势。

自动控製原理

为了保持飞行器的稳定飞行，在四轴飞行器上装有3个方向的陀螺仪和3 轴加速度感测器组成惯性导航模组，可以计算出飞行器此时相对地面的姿态以及加速度、角速度。飞行控製器通过演算法计算保持运动状态时所需的旋转力和升力，通过电子调控器来保证电机输出合适的力。

基本运动原理

垂直运动，俯仰运动，滚转运动，偏航运动。

垂直运动

图(a)中，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升;反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。

俯仰运动

图(b)中，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速改变数的大小应相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转(方向如图所示)，同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。

滚转运动

与图(b)的原理相同，在图(c)中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转(正向和反向)，实现飞行器的滚转运动。

偏航运动

四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的来年各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动;当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图(d)中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。因为电机的总升力不变，飞机不会发会垂直运动。

前后运动

要想实现飞行器在水準面内前后、左右的运动， 必须在水準面内对飞行器施加一定的力。在图(e)中，增加电机3转速，使拉力增大，相应减小电机1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图(b)的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水準分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。当然在图(b)图(c)中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水準运动。

侧向运动

在图(f)中，由于结构对称，所以侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

功能和套用

小型的四轴飞行器可以自由地实现悬停和空间中的 自由移动，具有很大的弹性。此外，因为它结构简单，机械稳定性好，所以成本低廉、性价比很高。主要的套用是玩具、航模，以及航拍，新的套用也在不断的拓展之中。

技术前沿

到2012年左右，国际上普遍认为四轴飞行器的控 製已经不再是学术研究问题，而是成熟的技术。学术研究的方向也转向了基于四轴飞行器做智慧型导航或者多飞行器的编队控製。

四轴飞行器的智慧型导航指的是利用机器视觉技术、人工智慧技术让四轴飞行器能像人一样在复杂环境中活动。

多飞行器的编队控製是指同时控製多个飞行器，或者让多个飞行器自主编队飞行。

世界上较为优秀的四轴飞行器研究机构有美国宾夕法尼亚大学、瑞士联邦苏黎世理工学院、中国香港科技大学。

四轴飞行器

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