3.2　FPV四軸無人機工作原理

下面一起了解下四軸飛行器的六種飛行姿態及其工作原理。

（1）垂直運動

如右圖所示，即飛行器垂直上升或下降。正如前文所說的，四個電機保持在同一轉速，就能夠在水平方向上保持穩定。如果四個電機增加到在同一個轉速，產生的推力足以克服飛行器自身的重力，便能夠上升；反之，如果四個電機同時降低到同一個速度，產生的推力無法克服飛行器的重力，便可以下降。如果外界沒有其他的擾動，四個電機產生的推力恰好克服飛行器的重力，這樣，飛行器就可以懸停在空中。只要讓四個電機保持在相同轉速，便能夠讓飛行器平穩地垂直運動，相對來說比較簡單。

（2）前后運動和側向運動

如下頁圖所示，電機1為飛行器頭部，而電機2為飛行器尾部。

為了在水平上獲得一個推力，增加電機2的轉速，尾部的推力增加；降低電機1的轉速，頭部的推力減小。整個機身會向前傾，合成了一個水平向前的推力，機身便能夠向前運動。同時保持電機3和電機4的轉速，反扭矩平衡，才能夠保證機身平穩地向前。向后運動正好與向前運動相反。

因為四旋翼飛行器是中心對稱的，前后運動和側向運動的控制是完全類似的，兩組正反電機的控制方式對調即可。例如，保持電機1和電機2的轉速不變，增加電機4的轉速而降低電機3的轉速，便能夠產生向右的水平力，于是機身向右運動。

（3）偏航運動

前面介紹的三種運動都是空間三個軸上的平移，接下來要介紹的三種運動是繞著三軸的旋轉。

如下圖所示，偏航運動就是在水平方向上的左右轉動，即繞著Z軸的旋轉。旋翼在轉動的過程中，由于空氣阻力的作用，會形成與轉動方向相反的反扭矩。偏航運動就是利用反扭矩實現的。當飛行器懸停時，4個電機的轉速相同，兩組正反扭矩相互抵消，維持平衡。當4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水平轉動，從而實現偏航運動。

如左圖所示，提升電機1和電機3的轉速，同時降低電機2和電機4的轉速，電機1和3產生的順時針反扭矩大于電機2和電機4產生的逆時針反扭矩，而且總的向上推力沒有發生變化，于是機身在水平面上順時針轉動，又不會出現垂直位移。同理，逆時針偏航轉動正好相反。

（4）俯仰運動和滾轉運動

俯仰運動是指在Y軸上的旋轉，而滾轉運動則是在X軸上旋轉。

如下圖所示，提升電機1的轉速，降低電機2的轉速，兩者轉速的變化量應該一樣，同時保持電機3和電機4轉速不變。機身頭部的推力大于尾部的推力，不平衡的力矩使得機身仰起。同樣的，俯身運動則是降低電機1的轉速，而提升電機2的轉速，產生一個向前傾的力矩。

同樣是因為中心對稱的緣故，滾轉運動與俯仰運動的原理一樣。維持電機1和電機2的轉速不變，改變電機3和電機4的轉速，產生不平衡的力矩，使得機身繞著X軸做滾轉運動。

下面總結下四軸無人機完整控制流程。

遙控器發出控制命令，比如起飛、向左飛等，遙控信號接收模塊接收到遙控器發出的控制信號，將其轉化為PWM或者PPM等信號傳遞給飛行控制器。飛控根據遙控信號以及傳感器的值（當前飛行器的狀態，如加速度、方位等信息）來通過PWM控制四個電機以達到預期的動作。

因為四旋翼飛行器的四個電機組合控制才能實現六個方向的運動，是一個欠驅動系統，必須要有一個飛行控制器來控制整個系統?；蛘哒f，四軸飛行器不像固定翼飛機那樣，可以在結構上實現穩定。比如，固定翼飛機可以切斷動力后在空中繼續滑翔，而四旋翼無人機則不可以。這也是旋翼無人機必須靠飛控來維持自身穩定的原因。

在飛控中，傳感器是必需的，如陀螺儀和加速度計。微控制器計算這兩個傳感器所傳來的數據，獲得當前飛行器的姿態，然后通過PID等算法調整電機的轉速，以保持飛行器的穩定。當然還可以加入電子羅盤掌握機身的方向，加入GPS模塊確定飛行器的地理位置。所以簡單來說，四旋翼飛行器是一個具備兩個閉環控制的系統，大環由遙控接收設備注入輸入量，小環由姿態傳感器注入輸入量。

當然，這個過程中也有一些技術細節需要設計，比如傳感器讀入的數據需要進行濾波以及俯仰（Pitch）、滾轉（Roll）、偏航（Yaw）等動作的PID算法設計及調整。這是一個較復雜的綜合系統，如果讀者想在理論方面從零開始學習則需要介紹許許多多，受篇幅所限，請參考相關資料，這里就不詳細介紹了。