第2章
四旋翼飛行器飛行原理

2.1　基本原理

四旋翼飛行器通過改變自身4個旋翼的轉速，可以比較靈活地進行各種飛行動作。其主要依據的運動原理是力的合成與分解，以及空氣轉動扭矩的反向性。四旋翼飛行器通常有兩種模式，即“十”字形模式與X形模式。

需要注意的是，相鄰的兩個旋翼的轉動方向相反，而在對角線上的兩個電機的轉動方向相同。例如，圖2.1.1中的X形模式，1、4電機是順時針方向轉動，而2、3電機是逆時針方向轉動。這樣一來，為了保證它們產生的升力都是向上的，1、4電機需要使用的螺旋槳是“正槳”，一般指順時針方向轉動能產生向上升力的槳；而2、3電機使用的螺旋槳是“反槳”，即逆時針方向產生向上升力的槳。在裝配四軸時，也應注意4個旋翼都是“向下吹風”的，以便均提供向上的拉力。

這樣做的原因是旋翼在旋轉時會產生反扭矩。例如，順時針方向轉動的槳在轉動時，空氣會產生使得四軸逆時針方向轉動的反向扭矩。而當1、4同方向，2、3同方向的時候，這兩個扭矩就恰好抵消掉，使得四軸在偏航方向能保持平衡，不至于出現自旋轉。

四旋翼飛行器可以分別沿著機體的X、Y、Z三個軸進行旋轉或者平移運動，因此在每個軸向上有兩個自由度。四旋翼飛行器有6種基本飛行動作。

1．升降運動

升降運動（如圖2.1.2所示）實際上就是飛行器在Z軸方向的上下運動。假設四旋翼飛行器處于平穩狀態，4個旋翼轉速完全一樣。此時同時使4個旋翼轉速增加，可以讓升力克服機體重量，使得機體垂直向上運動；反之，同時減小4個旋翼的轉速，可使機體垂直下降。當4個旋翼處于某一轉速時，升力和機體重力相等，此時飛行器處于平穩懸停的狀態。

2．俯仰運動

假設以X軸正方向為飛行器前進方向（電機0為前方），俯仰運動是飛行器以機體坐標Y軸為中心軸的一個轉動。如圖2.1.3所示，以仰動作為例，在保持電機1、3轉速不變的同時，電機0的轉速增加使升力加大，電機2的轉速減小使升力降低。飛行器會以機體Y軸（電機1、3所在軸）為轉軸產生一個轉動，電機0上升，而電機2下降，這就是飛行器的仰動作；反之，保持電機1、電機3的升力不變，讓電機2轉速增加，電機0轉速減小，將實現飛行器俯的動作。俯仰動作需要通過控制飛行器前后方向上的兩個電機的速率來實現。俯仰動作實質上還會影響飛行器的前進和后退動作。

3．橫滾運動

橫滾運動與俯仰動作原理相同，如圖2.1.4所示，保持電機0和電機2的轉速不變，分別改變電機1、3的轉速，可使機身以機體坐標的X軸為旋轉軸旋轉。橫滾動作實質上還會影響飛行器的左移和右移動作。

4．偏航運動（自旋）

偏航（轉向）運動實際上是機體繞自身坐標Z軸的一個自旋轉的過程。從單個旋翼來看，旋轉中的旋翼會對機體有一個反扭矩。如果飛行器為單旋翼，在旋翼轉動時，機身會朝反方向旋轉。因此，多軸飛行器的旋翼均為偶數個，而且正反轉各一半。這樣在飛行中，正反轉旋翼的反扭矩會相互抵消。四旋翼飛行器的偏航運動實質上是通過4個旋翼轉速不同而使得扭矩不平衡的結果，就是使得機身繞機體坐標Z軸旋轉。如圖2.1.5所示，當電機0和電機2轉速上升，同時電機1和電機3轉速下降，電機0、2的反扭矩大于電機1、3的反扭矩，機身會以機體Z軸為轉軸以電機0、2旋轉方向的反方向旋轉；反之，當電機1、3的轉速上升，電機0、2的轉速下降時，機身會朝與電機1、3轉動相反的方向旋轉。