四旋翼無人機(jī)曾被《時(shí)代》雜志評(píng)為2014年度十大科技產(chǎn)品之一，具有造型小巧，可自由懸停、垂直起降，機(jī)身易操控以及適用于多種環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于日常生活中。

在人工智能教育高速發(fā)展的環(huán)境下，可編程的四旋翼無人機(jī)更是受到許多中小學(xué)生的追捧。下面，我們一起來了解一下四旋翼無人機(jī)是如何實(shí)現(xiàn)飛行的吧！

四旋翼無人機(jī)飛行原理及控制方法

一般情況下，四旋翼無人機(jī)由檢測模塊、控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊以及電源模塊四個(gè)部分組成。

檢測模塊：負(fù)責(zé)對(duì)無人機(jī)當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行量測，并對(duì)控制模塊提供數(shù)據(jù)；

控制模塊：負(fù)責(zé)對(duì)無人機(jī)當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行解算，優(yōu)化控制，并對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的控制量；

驅(qū)動(dòng)模塊：負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)無人機(jī)進(jìn)行飛行；

電源模塊：負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。

四旋翼無人機(jī)機(jī)身主要是由對(duì)稱的十字形剛體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，材料多采用碳纖維、玻璃纖維以及樹脂等復(fù)合材料。而Drone:bit編程無人機(jī)機(jī)身則是采用了金屬材料，具有結(jié)實(shí)耐用的特點(diǎn)。

如下圖所示，現(xiàn)將位于四旋翼機(jī)身同一對(duì)角線上的兩個(gè)旋翼歸為一組。

前后端（4、2號(hào)）的旋翼沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，從而可以產(chǎn)生順時(shí)針方向的扭矩；而左右端（1、3號(hào)）的旋翼則沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生逆時(shí)針方向的扭矩。

如此，四個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的扭矩便可相互抵消。

由此可知，四旋翼無人機(jī)的所有姿態(tài)和位置的控制都是通過調(diào)節(jié)四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度實(shí)現(xiàn)的。

一般來說，四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要分為懸停、垂直運(yùn)動(dòng)、翻滾運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)以及偏航運(yùn)動(dòng)五種狀態(tài)。

懸停

在懸停狀態(tài)下，由于無人機(jī)的四個(gè)旋翼具有相同的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生的上升合力正好與自身重力相等；并且因?yàn)樾磙D(zhuǎn)速大小相同、前后端和左右端轉(zhuǎn)速方向相反，從而使得無人機(jī)總扭矩為零，得以靜止在空中，實(shí)現(xiàn)懸停狀態(tài)。

• 旋翼總升力=無人機(jī)重力，懸停

垂直運(yùn)動(dòng)

在保證四旋翼無人機(jī)每個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速大小相同、前后端和左右端轉(zhuǎn)速方向相反的情況下，同時(shí)對(duì)每個(gè)旋翼增加/減小大小相同的轉(zhuǎn)速，便可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的垂直運(yùn)動(dòng)。

• 旋翼總升力>無人機(jī)重力，垂直上升；
• 旋翼總升力<無人機(jī)重力，垂直下降。

翻滾運(yùn)動(dòng)

翻滾運(yùn)動(dòng)是在保持四旋翼無人機(jī)前后端旋翼轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過改變左右端的旋翼轉(zhuǎn)速，使得左右旋翼之間形成一定的升力差，從而使得沿?zé)o人機(jī)機(jī)體左右對(duì)稱軸上產(chǎn)生一定力矩，導(dǎo)致在方向上產(chǎn)生角加速度實(shí)現(xiàn)控制。

如圖所示，增加旋翼1的轉(zhuǎn)速，減小旋翼3的轉(zhuǎn)速，則無人機(jī)傾斜于右側(cè)飛行；反之，則向左傾斜。

俯仰運(yùn)動(dòng)

與翻滾運(yùn)動(dòng)相似，在保持四旋翼無人機(jī)左右端旋翼轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過改變前后端的旋翼轉(zhuǎn)速，形成前后旋翼升力差，從而在機(jī)體前后對(duì)稱軸上形成一定力矩，引起角方向上的角加速度實(shí)現(xiàn)控制。

如圖所示，增加旋翼2的轉(zhuǎn)速，減小旋翼4的轉(zhuǎn)速，則無人機(jī)向前傾斜飛行；反之，則向后傾斜。

偏航運(yùn)動(dòng)

四旋翼無人機(jī)的偏航運(yùn)動(dòng)是通過同時(shí)兩兩控制四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)控制的。

保持前后端或左右端旋翼轉(zhuǎn)速相同時(shí)，其便不會(huì)發(fā)生俯仰或翻滾運(yùn)動(dòng)；而當(dāng)每組內(nèi)的兩個(gè)旋翼與另一組旋翼轉(zhuǎn)速不同時(shí)，由于兩組旋翼旋轉(zhuǎn)方向不同，就會(huì)導(dǎo)致反扭矩力的不平衡，此時(shí)便會(huì)產(chǎn)生繞機(jī)身中心軸的反作用力，引起沿角角加速度。

如圖所示，當(dāng)前后端旋翼的轉(zhuǎn)速相同并大于左右端旋翼轉(zhuǎn)速時(shí)，因?yàn)榍罢哐仨槙r(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，后者相反，總的反扭矩沿逆時(shí)針方向，反作用力作用在機(jī)身中心軸上沿逆時(shí)針方向，引起逆時(shí)針偏航運(yùn)動(dòng)；反之，則會(huì)引起順時(shí)針偏航運(yùn)動(dòng)。

綜上所述，四旋翼無人機(jī)各個(gè)飛行狀態(tài)的控制是通過控制對(duì)稱的四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，形成相應(yīng)不同的運(yùn)動(dòng)組合實(shí)現(xiàn)的。

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編輯：fqj