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四軸飛(fei)行(xing)器(qi)作為低成(cheng)本的實(shi)驗平臺(tai)，在各(ge)個(ge)領域都(dou)有(you)(you)發揮作用的潛力(li)。對比于(yu)其他(ta)類(lei)型的飛(fei)行(xing)器(qi)，四軸飛(fei)行(xing)器(qi)擁有(you)(you)結構(gou)簡單緊湊，飛(fei)行(xing)效(xiao)率高，機動靈活的優點。本文主(zhu)要闡述四軸飛(fei)行(xing)器(qi)的工作原理。

四(si)軸(zhou)(zhou)飛行(xing)(xing)(xing)(xing)器幾乎(hu)是結構最(zui)簡單的(de)飛行(xing)(xing)(xing)(xing)器，控制(zhi)上也相對(dui)容易對(dui)其進行(xing)(xing)(xing)(xing)分(fen)析。四(si)個(ge)旋翼(yi)分(fen)別產生四(si)個(ge)垂直方向的(de)力(li)和四(si)個(ge)反扭力(li)，當這(zhe)八個(ge)力(li)處(chu)于平衡狀態時，四(si)軸(zhou)(zhou)飛行(xing)(xing)(xing)(xing)器可(ke)以在靜(jing) 止的(de)空氣中(zhong)平穩懸停，當控制(zhi)其中(zhong)一個(ge)或者多個(ge)力(li)共(gong)同改變時，四(si)軸(zhou)(zhou)飛行(xing)(xing)(xing)(xing)器將可(ke)以離開平穩狀態向所需要的(de)方向進行(xing)(xing)(xing)(xing)改變。

四(si)軸(zhou)飛(fei)行器(qi)工(gong)作(zuo)過程中本(ben)身是(shi)不穩定的(de)，需要一套飛(fei)行控(kong)制(zhi)系(xi)統對每一個(ge)電(dian)機的(de)輸出量 進行實時(shi)調整。這(zhe)套系(xi)統需要做的(de)工(gong)作(zuo)是(shi)檢測四(si)軸(zhou)飛(fei)行器(qi)當前所處的(de)姿(zi)態，并(bing)計算出控(kong)制(zhi)量， 同時(shi)控(kong)制(zhi)四(si)個(ge)電(dian)機，即(ji)可(ke)使飛(fei)行器(qi)的(de)受力(li)發(fa)生改變。圖 2-1 四(si)軸(zhou)飛(fei)行器(qi)飛(fei)行原理 展現了其(qi)(qi) 懸停時(shi)四(si)個(ge)電(dian)機的(de)轉(zhuan)速一致。圖 2-2 四(si)軸(zhou)飛(fei)行器(qi)逆(ni)時(shi)針旋(xuan)轉(zhuan) 為四(si)軸(zhou)飛(fei)行器(qi)逆(ni)時(shi)針旋(xuan)轉(zhuan)的(de)例 子(zi)，1、3 號(hao)電(dian)機減速，2、4 號(hao)電(dian)機加(jia)速。其(qi)(qi)余控(kong)制(zhi)情況類似。 

圖 2-1 四軸飛行器飛行原理 

圖 2-2 四軸飛行器(qi)逆時針(zhen)旋轉 

實現(xian)自動(dong)(dong)控(kong)(kong)(kong)制的(de)(de)主要工(gong)作過(guo)程分(fen)(fen)為(wei)(wei)兩個(ge)部分(fen)(fen)。第(di)一(yi)部分(fen)(fen)為(wei)(wei)姿態(tai)解算(suan)，控(kong)(kong)(kong)制中心通(tong)過(guo)多 個(ge)不同(tong)的(de)(de)慣性傳(chuan)感器和(he)電子(zi)羅(luo)盤獲取當(dang)前四(si)軸飛行(xing)(xing)(xing)器的(de)(de)姿態(tai)數據，通(tong)過(guo)四(si)元數算(suan)法(fa)和(he)互補濾(lv) 波器進(jin)行(xing)(xing)(xing)融合(he)后姿態(tai)積分(fen)(fen)，而后通(tong)過(guo)四(si)元數轉歐拉(la)角(jiao)矩陣，得出當(dang)前的(de)(de)飛行(xing)(xing)(xing)器姿態(tai)角(jiao)度。第(di)二(er)部分(fen)(fen)為(wei)(wei)控(kong)(kong)(kong)制算(suan)法(fa)，控(kong)(kong)(kong)制中心利(li)用當(dang)前的(de)(de)姿態(tai)角(jiao)度與(yu)期(qi)望姿態(tai)角(jiao)度做(zuo)對比，得到偏差角(jiao)度,將偏差角(jiao)度輸(shu)入 PID 控(kong)(kong)(kong)制算(suan)法(fa)，即可輸(shu)出三個(ge)方(fang)向上的(de)(de)修正(zheng)量(liang)。最后，利(li)用三個(ge)方(fang)向的(de)(de)修正(zheng)量(liang)，通(tong)過(guo)映射關系，映射到四(si)個(ge)電機輸(shu)出，即可實現(xian)飛行(xing)(xing)(xing)器自動(dong)(dong)控(kong)(kong)(kong)制飛行(xing)(xing)(xing)。

四(si)軸飛(fei)(fei)行(xing)(xing)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)硬件組成主要由飛(fei)(fei)行(xing)(xing)控制(zhi)板(ban)、電(dian)(dian)源管理模(mo)塊以(yi)及(ji)無(wu)刷(shua)電(dian)(dian)子(zi)調速器(qi)(qi)三(san)(san)部分(fen)組成：飛(fei)(fei)行(xing)(xing)控制(zhi)器(qi)(qi)是整個(ge)控制(zhi)系統的(de)(de)(de)核心，它負(fu)責計(ji)算當前飛(fei)(fei)行(xing)(xing)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)姿態，并輸(shu)出控制(zhi)量(liang)。飛(fei)(fei)行(xing)(xing)控制(zhi)板(ban)上搭載有(you)三(san)(san)軸陀螺(luo)儀、三(san)(san)軸加速度計(ji)、三(san)(san)軸磁阻傳感(gan)器(qi)(qi)、大氣(qi)壓(ya)力傳感(gan)器(qi)(qi)和 GPS 模(mo) 塊；電(dian)(dian)源模(mo)塊主要負(fu)責整個(ge)四(si)軸飛(fei)(fei)行(xing)(xing)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)供電(dian)(dian)，同時負(fu)責監控供電(dian)(dian)鋰電(dian)(dian)池的(de)(de)(de)電(dian)(dian)量(liang)情(qing)況，以(yi)確保四(si)軸飛(fei)(fei)行(xing)(xing)器(qi)(qi)能夠有(you)正常的(de)(de)(de)電(dian)(dian)量(liang)供給。無(wu)刷(shua)電(dian)(dian)子(zi)調速器(qi)(qi)主要負(fu)責驅動三(san)(san)相無(wu)感(gan)無(wu)刷(shua)電(dian)(dian)機，其 工作過程中，受飛(fei)(fei)行(xing)(xing)控制(zhi)板(ban)的(de)(de)(de)指(zhi)揮調控，根據飛(fei)(fei)行(xing)(xing)控制(zhi)板(ban)所提(ti)供的(de)(de)(de)相關(guan)參量(liang)輸(shu)出控制(zhi)無(wu)刷(shua)電(dian)(dian)機。

四旋翼飛(fei)行器在空間共有 6 個(ge)自由度（分(fen)別沿 3 個(ge)坐(zuo)標軸作平移(yi)和旋轉動作），這 6 個(ge) 自由度的(de)控制都(dou)可以通過調節不同電(dian)機(ji)的(de)轉速(su)來實現；

其基本運(yun)動狀態分別為：

1. 垂(chui)直(zhi)(zhi)運動(dong)(dong) 在(zai)圖a中，因有兩對電機轉(zhuan)向(xiang)相反，可以平衡(heng)其對機身的(de)反扭(niu)矩，當(dang)同時(shi)增加 四個電機的(de)輸出(chu)功率(lv)，旋(xuan)翼(yi)轉(zhuan)速(su)增加使得總(zong)(zong)的(de)拉力(li)增大，當(dang)總(zong)(zong)拉力(li)足以克服整機的(de) 重量(liang)時(shi)，四旋(xuan)翼(yi)飛行器便(bian)離地垂(chui)直(zhi)(zhi)上升；反之，同時(shi)減(jian)小四個電機的(de)輸出(chu)功率(lv)，四 旋(xuan)翼(yi)飛行器則垂(chui)直(zhi)(zhi)下降，直(zhi)(zhi)至平衡(heng)落地，實(shi)現了沿 z 軸的(de)垂(chui)直(zhi)(zhi)運動(dong)(dong)；當(dang)外界擾(rao)動(dong)(dong)量(liang) 為(wei)零(ling)時(shi)，在(zai)旋(xuan)翼(yi)產生的(de)升力(li)等于飛行器的(de)自重時(shi)，飛行器便(bian)保持懸停狀態；保證四 個旋(xuan)翼(yi)轉(zhuan)速(su)同步增加或減(jian)小是垂(chui)直(zhi)(zhi)運動(dong)(dong)的(de)關鍵(jian)； 

2. 俯仰運動(dong)在圖(tu)b中，電(dian)(dian)機(ji)(ji)1的(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)上升(sheng)(sheng)(sheng)，電(dian)(dian)機(ji)(ji)3的(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)下降，電(dian)(dian)機(ji)(ji) 2、電(dian)(dian)機(ji)(ji)4的(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)保(bao)持不變(bian)；為(wei)了不因為(wei)旋(xuan)翼(yi)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)的(de)(de)改(gai)變(bian)引(yin)起四旋(xuan)翼(yi)飛行(xing)(xing)器(qi)整體扭矩(ju)及總拉力改(gai)變(bian)，旋(xuan)翼(yi)1與(yu)旋(xuan)翼(yi)3轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)該(gai)變(bian)量的(de)(de)大小應相等；由于旋(xuan)翼(yi)1的(de)(de)升(sheng)(sheng)(sheng)力上升(sheng)(sheng)(sheng)，旋(xuan)翼(yi)3的(de)(de)升(sheng)(sheng)(sheng)力下降，產生的(de)(de)不平(ping)衡力矩(ju)使機(ji)(ji)身(shen)繞y軸旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)（方向如(ru)圖(tu)所示(shi)），同(tong)理，當電(dian)(dian)機(ji)(ji)1的(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)下降，電(dian)(dian)機(ji)(ji)3的(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)上升(sheng)(sheng)(sheng)，機(ji)(ji)身(shen)便繞y軸向另一個方向旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)，實現飛行(xing)(xing)器(qi)的(de)(de)俯仰運動(dong)； 

3. 滾轉(zhuan)運動(dong)與圖b原理相(xiang)同，在(zai)圖c中(zhong)，改(gai)變電(dian)(dian)機(ji)2和(he)電(dian)(dian)機(ji)4的(de)轉(zhuan)速(su)，保持電(dian)(dian)機(ji)1和(he)電(dian)(dian)機(ji)3的(de)轉(zhuan)速(su)不變，則可使(shi)機(ji)身繞(rao)x軸旋(xuan)轉(zhuan)（正(zheng)向和(he)反向），實現(xian)飛行器(qi)的(de)滾轉(zhuan)運動(dong)；

4. 偏(pian)航運(yun)動(dong)四(si)旋(xuan)翼(yi)(yi)(yi)(yi)飛行(xing)器(qi)偏(pian)航運(yun)動(dong)可(ke)以借助旋(xuan)翼(yi)(yi)(yi)(yi)產生的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)反扭(niu)矩來(lai)(lai)實現；旋(xuan)翼(yi)(yi)(yi)(yi)轉(zhuan)動(dong)過程中(zhong)由 于空氣阻(zu)力作用會(hui)形成與轉(zhuan)動(dong)方(fang)向相反的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)反扭(niu)矩，為了(le)克服反扭(niu)矩影(ying)響，可(ke)使(shi)四(si)個旋(xuan)翼(yi)(yi)(yi)(yi)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)兩個正轉(zhuan)，兩個反轉(zhuan)，且對(dui)角線上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)來(lai)(lai)年(nian)各個旋(xuan)翼(yi)(yi)(yi)(yi)轉(zhuan)動(dong)方(fang)向相同；反扭(niu)矩的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)大小(xiao)與旋(xuan)翼(yi)(yi)(yi)(yi)轉(zhuan)速有(you)關，當四(si)個電機(ji)(ji)(ji)(ji)轉(zhuan)速相同時(shi)，四(si)個旋(xuan)翼(yi)(yi)(yi)(yi)產生的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)反扭(niu)矩相互平(ping)衡四(si)旋(xuan)翼(yi)(yi)(yi)(yi)飛行(xing)器(qi)不發(fa)生轉(zhuan)動(dong)；當四(si)個電機(ji)(ji)(ji)(ji)轉(zhuan)速不完全相同時(shi)，不平(ping)衡的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)反扭(niu)矩會(hui)引起(qi)四(si)旋(xuan)翼(yi)(yi)(yi)(yi)飛行(xing)器(qi)轉(zhuan)動(dong)； 在圖d中(zhong)，當電機(ji)(ji)(ji)(ji)1和(he)電機(ji)(ji)(ji)(ji)3的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)速上(shang)升，電機(ji)(ji)(ji)(ji)2和(he)電機(ji)(ji)(ji)(ji)4的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)速下降時(shi)，旋(xuan)翼(yi)(yi)(yi)(yi)1和(he)旋(xuan)翼(yi)(yi)(yi)(yi)3對(dui)機(ji)(ji)(ji)(ji)身(shen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)反扭(niu)矩大于旋(xuan)翼(yi)(yi)(yi)(yi)2和(he)旋(xuan)翼(yi)(yi)(yi)(yi)4對(dui)機(ji)(ji)(ji)(ji)身(shen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)反扭(niu)矩，機(ji)(ji)(ji)(ji)身(shen)便在富余反扭(niu)矩的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用下繞z軸轉(zhuan)動(dong)，實現飛行(xing)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)偏(pian)航運(yun)動(dong)，轉(zhuan)向與電機(ji)(ji)(ji)(ji)1、電機(ji)(ji)(ji)(ji)3的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)向相反； 

5. 前(qian)(qian)后運動(dong)(dong) 要想實現飛(fei)行(xing)(xing)器(qi)(qi)在(zai)水平面(mian)內前(qian)(qian)后、左右(you)的運動(dong)(dong)，必(bi)須在(zai)水平面(mian)內對飛(fei)行(xing)(xing)器(qi)(qi)施加(jia) 一定的力(li)；在(zai)圖(tu)(tu)e中，增加(jia)電機3轉(zhuan)速(su)(su)，使(shi)拉(la)力(li)增大，相(xiang)(xiang)應(ying)減(jian)小電機1轉(zhuan)速(su)(su)，使(shi)拉(la)力(li)減(jian)小，同(tong)時保(bao)持(chi)其它(ta)兩個電機轉(zhuan)速(su)(su)不變，反(fan)扭(niu)矩仍然(ran)要保(bao)持(chi)平衡；按圖(tu)(tu)b的理論，飛(fei)行(xing)(xing)器(qi)(qi)首先發生一定程度的傾斜，從而使(shi)旋翼拉(la)力(li)產(chan)生水平分量，因(yin)此可以實現飛(fei)行(xing)(xing)器(qi)(qi)的前(qian)(qian)飛(fei)運動(dong)(dong)，向(xiang)后飛(fei)行(xing)(xing)與(yu)向(xiang)前(qian)(qian)飛(fei)行(xing)(xing)正(zheng)好相(xiang)(xiang)反(fan)；當然(ran)在(zai)圖(tu)(tu)b圖(tu)(tu)c中，飛(fei)行(xing)(xing)器(qi)(qi)在(zai)產(chan)生俯仰、 翻滾運動(dong)(dong)的同(tong)時也會(hui)產(chan)生沿x、y軸(zhou)的水平運動(dong)(dong)； 

6.側向運(yun)動  在圖f中，由(you)于結構對稱，所以側向飛行的(de)工作原理與前后(hou)運(yun)動完全一樣(yang)；