四軸飛行器的工作原理
時間：2018-12-24 來源：華清遠見
四軸飛行器作為低成本的實驗平臺，在各個領域都有發揮作用的潛力。對比于其他類型的飛行器，四軸飛行器擁有結構簡單緊湊，飛行效率高，機動靈活的優點。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構最簡單的飛行器，控制上也相對容易對其進行分析。四個旋翼分別產生四個垂直方向的力和四個反扭力，當這八個力處于平衡狀態時，四軸飛行器可以在靜 止的空氣中平穩懸停，當控制其中一個或者多個力共同改變時，四軸飛行器將可以離開平穩狀態向所需要的方向進行改變。
四軸飛行器工作過程中本身是不穩定的，需要一套飛行控制系統對每一個電機的輸出量 進行實時調整。這套系統需要做的工作是檢測四軸飛行器當前所處的姿態，并計算出控制量， 同時控制四個電機，即可使飛行器的受力發生改變。圖 2-1 四軸飛行器飛行原理 展現了其 懸停時四個電機的轉速一致。圖 2-2 四軸飛行器逆時針旋轉 為四軸飛行器逆時針旋轉的例 子，1、3 號電機減速，2、4 號電機加速。其余控制情況類似。
圖 2-1 四軸飛行器飛行原理
圖 2-2 四軸飛行器逆時針旋轉
實現自動控制的主要工作過程分為兩個部分。第一部分為姿態解算，控制中心通過多 個不同的慣性傳感器和電子羅盤獲取當前四軸飛行器的姿態數據，通過四元數算法和互補濾 波器進行融合后姿態積分，而后通過四元數轉歐拉角矩陣，得出當前的飛行器姿態角度。第二部分為控制算法，控制中心利用當前的姿態角度與期望姿態角度做對比，得到偏差角度,將偏差角度輸入 PID 控制算法，即可輸出三個方向上的修正量。最后，利用三個方向的修正量，通過映射關系，映射到四個電機輸出，即可實現飛行器自動控制飛行。
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速器三部分組成：飛行控制器是整個控制系統的核心，它負責計算當前飛行器的姿態，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、三軸磁阻傳感器、大氣壓力傳感器和 GPS 模 塊；電源模塊主要負責整個四軸飛行器的供電，同時負責監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。無刷電子調速器主要負責驅動三相無感無刷電機，其 工作過程中，受飛行控制板的指揮調控，根據飛行控制板所提供的相關參量輸出控制無刷電機。
四旋翼飛行器在空間共有 6 個自由度（分別沿 3 個坐標軸作平移和旋轉動作），這 6 個 自由度的控制都可以通過調節不同電機的轉速來實現；
其基本運動狀態分別為：
1. 垂直運動 在圖a中，因有兩對電機轉向相反，可以平衡其對機身的反扭矩，當同時增加 四個電機的輸出功率，旋翼轉速增加使得總的拉力增大，當總拉力足以克服整機的 重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時減小四個電機的輸出功率，四 旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實現了沿 z 軸的垂直運動；當外界擾動量 為零時，在旋翼產生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態；保證四 個旋翼轉速同步增加或減小是垂直運動的關鍵；
2. 俯仰運動在圖b中，電機1的轉速上升，電機3的轉速下降，電機 2、電機4的轉速保持不變；為了不因為旋翼轉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轉速該變量的大小應相等；由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，產生的不平衡力矩使機身繞y軸旋轉（方向如圖所示），同理，當電機1的轉速下降，電機3的轉速上升，機身便繞y軸向另一個方向旋轉，實現飛行器的俯仰運動；
3. 滾轉運動與圖b原理相同，在圖c中，改變電機2和電機4的轉速，保持電機1和電機3的轉速不變，則可使機身繞x軸旋轉（正向和反向），實現飛行器的滾轉運動；
4. 偏航運動四旋翼飛行器偏航運動可以借助旋翼產生的反扭矩來實現；旋翼轉動過程中由 于空氣阻力作用會形成與轉動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉，兩個反轉，且對角線上的來年各個旋翼轉動方向相同；反扭矩的大小與旋翼轉速有關，當四個電機轉速相同時，四個旋翼產生的反扭矩相互平衡四旋翼飛行器不發生轉動；當四個電機轉速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉動； 在圖d中，當電機1和電機3的轉速上升，電機2和電機4的轉速下降時，旋翼1和旋翼3對機身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉動，實現飛行器的偏航運動，轉向與電機1、電機3的轉向相反；
5. 前后運動 要想實現飛行器在水平面內前后、左右的運動，必須在水平面內對飛行器施加 一定的力；在圖e中，增加電機3轉速，使拉力增大，相應減小電機1轉速，使拉力減小，同時保持其它兩個電機轉速不變，反扭矩仍然要保持平衡；按圖b的理論，飛行器首先發生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產生水平分量，因此可以實現飛行器的前飛運動，向后飛行與向前飛行正好相反；當然在圖b圖c中，飛行器在產生俯仰、 翻滾運動的同時也會產生沿x、y軸的水平運動；
6.側向運動 在圖f中，由于結構對稱，所以側向飛行的工作原理與前后運動完全一樣；
