四軸飛行器又稱四旋翼飛行器、四旋翼直升機，簡稱四軸、四旋翼。這四軸飛行器（Quadrotor）是一種多旋翼飛行器。四軸飛行器的四個螺旋槳都是電機直連的簡單機構(gòu)，十字形的布局允許飛行器通過改變電機轉(zhuǎn)速獲得旋轉(zhuǎn)機身的力，從而調(diào)整自身姿態(tài)。具體的技術(shù)細(xì)節(jié)在“基本運動原理”中講述。因為它固有的復(fù)雜性，歷史上從未有大型的商用四軸飛行器。近年來得益于微機電控制技術(shù)的發(fā)展，穩(wěn)定的四軸飛行器得到了廣泛的關(guān)注，應(yīng)用前景十分可觀。

　　小型的四軸飛行器可以自由地實現(xiàn)懸停和空間中的自由移動，具有很大的靈活性。此外，因為它結(jié)構(gòu)簡單，機械穩(wěn)定性好，所以成本低廉、性價比很高。主要的應(yīng)用是玩具、航模，以及航拍，新的應(yīng)用也在不斷的拓展之中。

　　四軸飛行器組成

　　四軸飛行器由電機、電調(diào)、槳、機架、電池、充電器、遙控器、飛控板等部件組成。

　　飛控板

　　飛行控制器（飛控）是飛行器的大腦，飛控板上配置有中央處理器、姿態(tài)測量傳感器、無線接收器等器件，飛控板完成自身穩(wěn)定的飛行，并且它還要從接收器接受信號，并把信號傳輸給電調(diào)告訴它如何飛行，其中最困難的在于如何保持飛行器飛行的穩(wěn)定性。為了保持穩(wěn)定性，飛控板就需要各種各樣的傳感器完成自身的姿態(tài)解算并控制四個電機的輸出動力，使自身保持穩(wěn)定。

　　電調(diào)

　　電調(diào)的作用就是將飛控板的控制信號，轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="http://www.makelele.cn/tags/電流/" target="_blank">電流的大小，以控制電機的轉(zhuǎn)速。因為電機的電流是很大的，通常每個電機正常工作時，平均有3A左右的電流，如果沒有電調(diào)的存在，飛控板根本無法承受這樣大的電流（另外也沒驅(qū)動無刷電機的功能）。同時電調(diào)的BEC輸出功能在四軸當(dāng)中還充當(dāng)了電壓變化器的作用，將11.1v的電壓變?yōu)?v為飛控板和遙控接收機供電。在四軸上，4個電調(diào)的正負(fù)極需要并聯(lián)（紅色連一起，黑色連一起），并接到電池的正負(fù)極上；電調(diào)3根黑色的電機控制線用于連接電機。

　　正反槳

　　四軸飛行為了抵消螺旋槳的自旋，相隔的槳旋轉(zhuǎn)方向是不一樣的，所以需要正反槳。正反槳的風(fēng)都向下吹。適合順時針旋轉(zhuǎn)的叫正漿、適合逆時針旋轉(zhuǎn)的是反漿。安裝的時候，一定記得無論正反槳，有字的一面是向上的（槳葉圓潤的一面要和電機旋轉(zhuǎn)方向一致）。

　　四軸飛行器自動控制原理

電路圖

　　典型的傳統(tǒng)直升機配備有一個主轉(zhuǎn)子和一個尾漿。他們是通過控制舵機來改變螺旋槳的槳距角，從而控制直升機的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器與此不同，是通過調(diào)節(jié)四個電機轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。由于飛行器是通過改變旋翼轉(zhuǎn)速實現(xiàn)升力變化，這樣會導(dǎo)致其動力不穩(wěn)定，所以需要一種能夠長期確保穩(wěn)定的控制方法。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直起降機，因此非常適合靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下飛行。但是四旋翼飛行器只有四個輸入力，同時卻有六個狀態(tài)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)。

　　為了保持飛行器的穩(wěn)定飛行，在四軸飛行器上裝有3個方向的陀螺儀和3軸加速度傳感器組成慣性導(dǎo)航模塊，可以計算出飛行器此時相對地面的姿態(tài)以及加速度、角速度。飛行控制器通過算法計算保持運動狀態(tài)時所需的旋轉(zhuǎn)力和升力，通過電子調(diào)控器來保證電機輸出合適的力。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　四軸飛行器運動原理

　　如圖所示，電機1和電機3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機2和電機4順時針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時，陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消。

　　四軸飛行器是一個在空間具有6個活動自由度（分別沿3個坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動作），但是只有4個控制自由度（四個電機的轉(zhuǎn)速）的系統(tǒng)，因此被稱為欠驅(qū)動系統(tǒng)（只有當(dāng)控制自由度等于活動自由度的時候才是完整驅(qū)動系統(tǒng)）。不過對于姿態(tài)控制本身（分別沿3個坐標(biāo)軸作旋轉(zhuǎn)動作），它確實是完整驅(qū)動的。

　　與直升機相比，四軸飛行器可以實現(xiàn)的飛行姿態(tài)較少，不過基本的前進、后退、平移等狀態(tài)都可以實現(xiàn)。但是四軸飛行器的機械結(jié)構(gòu)遠遠比直升機簡單，維修和更換的開銷也非常小，這讓四軸飛行器有了比直升機更大的應(yīng)用優(yōu)勢。

　　垂直運動

　　圖（a）中，因有兩對電機轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對機身的反扭矩，當(dāng)同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當(dāng)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(xiàn)了沿z軸的垂直運動。當(dāng)外界擾動量為零時，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態(tài)。保證四個旋翼轉(zhuǎn)速同步增加或減小是垂直運動的關(guān)鍵。

　　俯仰運動

　　圖（b）中，電機1的轉(zhuǎn)速上升，電機3的轉(zhuǎn)速下降，電機2、電機4的轉(zhuǎn)速保持不變。為了不因為旋翼轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速改變量的大小應(yīng)相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機身繞y軸旋轉(zhuǎn)（方向如圖所示），同理，當(dāng)電機1的轉(zhuǎn)速下降，電機3的轉(zhuǎn)速上升，機身便繞y軸向另一個方向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)飛行器的俯仰運動。

　　滾轉(zhuǎn)運動

　　與圖（b）的原理相同，在圖（c）中，改變電機2和電機4的轉(zhuǎn)速，保持電機1和電機3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機身繞x軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運動。

　　偏航運動

　　四旋翼飛行器偏航運動可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來實現(xiàn)。旋翼轉(zhuǎn)動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，兩個反轉(zhuǎn)，且對角線上的各個旋翼轉(zhuǎn)動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個電機轉(zhuǎn)速相同時，四個旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動；當(dāng)四個電機轉(zhuǎn)速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動。在圖（d）中，當(dāng)電機1和電機3的轉(zhuǎn)速上升，電機2和電機4的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，實現(xiàn)飛行器的偏航運動，轉(zhuǎn)向與電機1、電機3的轉(zhuǎn)向相反。因為電機的總升力不變，飛機不會發(fā)會垂直運動。

　　前后運動

　　要想實現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運動，必須在水平面內(nèi)對飛行器施加一定的力。在圖（e）中，增加電機3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時保持其它兩個電機轉(zhuǎn)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(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實現(xiàn)飛行器的前飛運動。向后飛行與向前飛行正好相反。當(dāng)然在圖（b）圖（c）中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運動的同時也會產(chǎn)生沿x、y軸的水平運動。

　　側(cè)向運動

　　在圖（f）中，由于結(jié)構(gòu)對稱，所以側(cè)向飛行的工作原理與前后運動完全一樣。

　　四軸飛行控制算法

　　四軸作為一個飛行控制系統(tǒng)，其本身是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有反饋調(diào)節(jié)功能，其主要控制過程分為姿態(tài)解算和控制過程兩個步驟。

　?。?）姿態(tài)解算：姿態(tài)解算是借助陀螺儀和加速度計傳感器測量出系統(tǒng)坐標(biāo)系的3個方向的角速度以及加速度，然后進行卡爾曼濾波做數(shù)據(jù)濾波+融合處理，最后用四元素算法或者是歐拉角公式求解出慣性坐標(biāo)系下的俯仰角（pitch）、翻滾角（roll）、偏航角（yaw），這3個角度成為姿態(tài)角。

　　（2）控制過程：控制過程就是飛控板不停進行姿態(tài)解算并算出來當(dāng)前時刻的姿態(tài)角，然后通過控制算法計算出來當(dāng)前時刻要對四個電機轉(zhuǎn)速的控制值，最終使四軸是3個姿態(tài)角始終保持在設(shè)定的狀態(tài)下。如果想要四軸處于懸停狀態(tài)，只要把3個目標(biāo)姿態(tài)角都設(shè)為0°就行了；如果想要四軸處于其他飛行狀態(tài)，只要調(diào)整3個目標(biāo)姿態(tài)角就可以了，四軸就會自動的變化到預(yù)設(shè)的飛行狀態(tài)上去。控制算法還是用的PID比較多，不過不是傳統(tǒng)的PID，而是對PID做了改進和優(yōu)化處理了。