四轴飞行器 四轴飞行器飞行原理

四轴飞行器作为一种低成本的实验平台，在各个领域都有发挥作用的潜力。与其他类型的飞机相比，四轴飞行器具有结构简单紧凑、飞行效率高和灵活性强的优点。本文主要阐述了四轴飞行器的工作原理。

图2-1四轴飞行器的飞行原理

图2-2四轴飞行器逆时针旋转

四轴飞行器几乎是最简单的结构飞行器，在控制上相对容易分析。四个转子分别产生四个垂直力和四个反向扭矩。当这八个力处于平衡状态时，四轴飞行器可以在静止的空气中稳定悬停。当一个或多个力被控制在一起改变时，四轴飞行器可以从稳定状态改变到所需的方向。华清袁剑信息技术就业培训

四轴飞行器本身在工作过程中是不稳定的，因此需要一个飞行控制系统来实时调整各个电机的输出。这个系统需要做的是检测四轴飞行器当前的姿态，计算控制量，同时控制四个电机，使飞行器的受力发生变化。图2-1四轴飞行器飞行原理显示悬停时四个电机转速一致。图2-2四轴飞行器的逆时针旋转是四轴飞行器逆时针旋转的一个例子，其中1号和3号电机减速，2号和4号电机加速。其他控制情况类似。

实现自动控制的主要工作过程分为两部分。第一部分是姿态计算。控制中心通过不同的惯性传感器和电子罗盘获得当前四轴飞行器的姿态数据，通过四元数算法和互补滤波器对融合后的姿态进行积分，然后通过四元数到欧拉角矩阵获得当前飞行器的姿态角。第二部分是控制算法。控制中心将当前姿态角与期望姿态角进行比较，得到偏差角，并将偏差角输入到PID控制算法中，PID控制算法可以输出三个方向的修正量。最后，通过使用三个方向的校正并映射到四个电机的输出，飞机可以自动控制其飞行。

四轴飞行器的硬件主要由飞控板、电源管理模块和无刷电子调速器三部分组成。飞行控制器是整个控制系统的核心，负责计算当前飞机姿态并输出控制变量。飞控板上装有三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁阻传感器、大气压力传感器和GPS模块；电源模块主要负责整个四轴飞行器的供电，同时负责监控电源锂电池的电量，保证四轴飞行器能够正常供电。无刷电子调速器主要负责驱动三相无感无刷电机。在其工作过程中，受飞控板的指令控制，根据飞控板提供的相关参数输出控制无刷电机。华清袁剑信息技术就业培训

四旋翼飞行器在空之间有六个自由度(分别沿三个坐标轴平移和旋转)，这六个自由度的控制可以通过调节不同电机的转速来实现。

其基本运动状态如下:

1.垂直移动

在图A中，由于两对电机反方向转动，可以平衡它们对机身的反作用力矩。当四个电机的输出功率同时增加时，转子速度增加，从而增加总拉力。当总拉力足以克服整机重量时，四旋翼飞机从地面垂直上升；相反，四个电机的输出功率同时降低，四旋翼飞行器垂直下降，直到平衡着陆，实现沿Z轴的垂直运动；当外界扰动为零时，当旋翼产生的升力等于飞机自重时，飞机将保持悬停；垂直运动的关键是保证四个转子的转速同步增减。华清袁剑信息技术就业培训

2.俯仰运动

在图b中，电机1的转速增加，电机3的转速降低，电机2和电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的变化而改变四旋翼飞行器的总体扭矩和总张力，旋翼1和旋翼3的转速应相等；随着旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的力矩使机身绕Y轴旋转(如图)。同样，当电机1转速下降时，电机3转速上升，机身绕Y轴向另一个方向转动，实现飞机的俯仰运动。华清袁剑信息技术就业培训

3.滚动

与图B中原理相同，在图C中，通过改变电机2和4的转速，保持电机1和3的转速不变，机身可以绕X轴旋转(正反转)，实现飞机的滚转运动；

4.偏航运动

四旋翼飞行器的偏航运动可以通过旋翼产生的反力矩来实现；在转子转动过程中，由于空空气阻力的作用，会形成与转动方向相反的反向力矩。为了克服反转力矩的影响，四个转子中有两个可以正转，两个可以反转，来年每个转子在对角线上的旋转方向都是相同的。反作用扭矩的大小与转子速度有关。当四个电机转速相同时，四个转子产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不旋转；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会导致四旋翼飞行器旋转；

在图d中，当电机1、3转速增大，电机2、4转速减小时，旋翼1、3对机身的反向力矩大于旋翼2、4，机身在多余的反向力矩作用下绕z轴转动，从而实现飞机的偏航运动，转向方向与电机1、3相反；华清袁剑信息技术就业培训

5.来回移动

为了实现飞机在水平面内的前后和左右运动，必须在水平面内对飞机施加一定的力；

在图E中，增大电机3的转速增大了拉力，相应地减小电机1的转速减小了拉力，同时保持另外两个电机的转速不变，反作用力矩仍需平衡；根据图B的理论，飞机首先倾斜到一定程度，使旋翼拉力产生一个水平分量，这样就可以实现飞机的向前飞行，向后飞行正好与向前飞行相反；当然，在图B和图C中，飞机在俯仰和滚转时会产生沿X轴和Y轴的水平运动；

6.横向运动

在图F中，由于结构对称，侧向飞行的工作原理与前后运动的工作原理完全相同。华清袁剑信息技术就业培训