2.2 四旋翼飛行器的運動控制方法

四旋翼飛行器系統共有4個輸入，分別為一個上升力和三個方向的轉矩。但是飛行器在空間中卻有6個自由度的輸出坐標，可以進行三個坐標軸方向的平動運動和圍繞三個坐標軸方向的轉動運動。

如果沿著任意給定方向的獨立運動，飛行器沒有給予足夠多的運動驅動，那么該飛行器就是欠驅動的。可見，四旋翼飛行器是欠驅動和動力不穩定的系統。因此，針對該系統實現全部的運動控制目標，必然存在旋轉力矩與平移系統的耦合。傳統的縱列式直升機為了平衡反扭矩，需借助尾槳來實現。

四旋翼飛行器采用了4個旋翼的機械結構，4個電機作為飛行的直接動力源，通過改變4個螺旋槳的轉速，進而改變螺旋槳產生的升力來控制飛行器姿態和運動。這種設計理念使飛行器結構和動力學特性得到了很大簡化。

四旋翼的前槳1和后槳3逆時針旋轉，左右2、4兩槳順時針旋轉，這種反向對稱結構代替了傳統直升機尾旋翼。在飛行過程中，如圖2-2所示，改變4個旋翼螺旋槳的轉速，可使四旋翼產生各種飛行姿態，也可使四旋翼飛行器向預定方向運動，完成任務。

根據四旋翼飛行器的運動方式的特點將其飛行控制劃分為4種基本的飛行控制方式：

·垂直飛行控制；

·橫滾控制；

·俯仰控制；

·偏航控制。

下面分別對以上4種飛行控制方式進行闡述。

垂直飛行控制主要是控制飛機的爬升、下降和懸停。如圖2-3所示，弧線箭頭方向表示螺旋槳旋轉的方向。

當四旋翼處于水平位置時，在垂直方向上，慣性坐標系同機體坐標系重合。同時增加或減小4個旋翼的螺旋槳轉速，4個旋翼產生的升力使得機體上升或下降，從而實現爬升和下降。懸停時，保持4個旋翼的螺旋槳轉速相等，并且保證產生的合推力與重力相平衡，使四旋翼在某一高度處于相對靜止狀態，各姿態角為零。垂直飛行控制的關鍵是要穩定4個旋翼的螺旋槳轉速，使其變化一致。

橫滾控制，如圖2-4所示。通過增加左邊旋翼螺旋槳轉速，使拉力增大，相應減小右邊旋翼螺旋槳轉速，使拉力減小，同時保持其他兩個旋翼螺旋槳轉速不變。這樣由于存在拉力差，機身會產生側向傾斜，從而使旋翼拉力產生水平分量，使機體向右運動。當Δ2=Δ4時可控制四旋翼飛行器作側向平飛運動。

俯仰控制，如圖2-5所示，與橫滾控制相似，在保持左右兩個旋翼螺旋槳轉速不變的情況下，減少前面旋翼螺旋槳的轉速，并相應增加后面旋翼螺旋槳的轉速，使得前后兩個旋翼存在拉力差，從而引起機身的前后傾斜，使旋翼拉力產生與橫滾控制中水平方向正交的水平分量，使機體向前運動。類似地，當Δ1=Δ3時可控制四旋翼飛行器作縱向平飛運動。

偏航控制，如圖2-6所示。四旋翼飛行器為了克服反扭矩影響，4個旋翼螺旋槳中的兩個順時針轉，兩個逆時針轉，且對角線上的兩個旋翼螺旋槳轉動方向相同。

反扭矩的大小與旋翼螺旋槳轉速有關，當4個旋翼螺旋槳轉速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起機體轉動。根據上面的原理，可以設計四旋翼飛行器的偏航控制，即同時提升一對同方向旋轉的旋翼螺旋槳轉速并降低另一對相反方向旋轉的旋翼螺旋槳轉速，保證轉速增加的旋翼螺旋槳轉動方向與四旋翼飛行器機身的轉動方向相反。