2.1　四旋翼無人機(jī)工作原理

2.1.1　四旋翼無人機(jī)架構(gòu)

第1章中介紹了部分四旋翼無人機(jī)的工作原理。四旋翼無人機(jī)機(jī)體具有4個(gè)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)上方都裝有一個(gè)螺旋槳，螺旋槳由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力，當(dāng)4個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的升力之和大于無人機(jī)自身所受重力后，無人機(jī)便可以起飛。

對(duì)多旋翼無人機(jī)觀察比較仔細(xì)的讀者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，生活中常接觸到的多旋翼無人機(jī)的螺旋槳數(shù)量一般為雙數(shù)，例如4、6、8，而單數(shù)螺旋槳的無人機(jī)在生活中比較少見。

這里涉及一個(gè)物理概念——扭矩平衡。簡(jiǎn)單來說，如果直升機(jī)只有一個(gè)螺旋槳，當(dāng)螺旋槳順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，直升機(jī)的機(jī)體就會(huì)朝著螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向的反方向，也就是逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，如圖2.1所示。螺旋槳順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)體反方向旋轉(zhuǎn)，是由于螺旋槳會(huì)產(chǎn)生反扭矩。在直升機(jī)中，為抵消反扭矩，常見的做法是在直升機(jī)的尾部增加一副尾槳。也有部分直升機(jī)尾部沒有副槳，而是在直升機(jī)主軸上新增一個(gè)螺旋槳，兩個(gè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)的方向剛好相反，稱為共軸反槳，這種做法也可以抵消反扭矩。

多旋翼無人機(jī)中也采用類似的方法。當(dāng)無人機(jī)是四旋翼時(shí)，其中兩個(gè)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，另外兩個(gè)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，就可以相互抵消扭矩。

四旋翼無人機(jī)的電機(jī)有多種布局，常見的為“X”形布局和“十”字形布局，無人機(jī)的機(jī)頭方向根據(jù)選擇的布局不同也有所不同。

1．“X”形布局

“X”形布局如圖2.2所示，4個(gè)電機(jī)分布在無人機(jī)的4條機(jī)臂上，呈現(xiàn)出“X”形。前兩個(gè)電機(jī)位于無人機(jī)的前機(jī)臂末端，后兩個(gè)電機(jī)位于后機(jī)臂末端。這種布局使無人機(jī)的質(zhì)量分布更加均勻，有利于增強(qiáng)飛行的穩(wěn)定性。

無人機(jī)的機(jī)頭方向如圖2.2所示，通常將右上方的電機(jī)定為1號(hào)電機(jī)。1號(hào)電機(jī)與2號(hào)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，安裝正槳（CCW）；3號(hào)電機(jī)與4號(hào)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，安裝反槳（CW）。

（1）優(yōu)點(diǎn)

① 飛行穩(wěn)定性較好：“X”形布局有利于減少飛行時(shí)的搖擺和傾斜，提高穩(wěn)定性。尤其在風(fēng)速較大或者突發(fā)氣流的情況下，“X”形布局表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

② 旋翼間的干擾小：在“X”形布局中，前/后旋翼以及左/右旋翼之間的距離較大，可以減小旋翼間的干擾，降低飛行時(shí)的振動(dòng)和不穩(wěn)定性，提高無人機(jī)的飛行效率。

（2）缺點(diǎn)

① 前方視野受限：前兩個(gè)電機(jī)位于前機(jī)臂末端，有時(shí)候會(huì)影響前方的視野，特別是在航拍任務(wù)中可能需要注意。

② 起飛和降落所需空間較大：“X”形布局的結(jié)構(gòu)使無人機(jī)的起飛和降落所需空間相對(duì)較大，需要在較為寬敞的場(chǎng)地進(jìn)行操作。在狹小的環(huán)境中，可能會(huì)受到一定的限制。

2．“十”字形布局

“十”字形布局如圖2.3所示，4個(gè)電機(jī)分布在無人機(jī)的4條機(jī)臂上，形成“十”字形。每個(gè)電機(jī)都位于無人機(jī)的機(jī)臂末端，使得無人機(jī)的結(jié)構(gòu)更加緊湊。相對(duì)于“X”形布局，“十”字形布局的重心偏高。

（1）優(yōu)點(diǎn)

① 簡(jiǎn)單穩(wěn)定：“十”字形布局的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、直接，這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)使無人機(jī)的制造和維護(hù)相對(duì)容易，能夠降低制造成本和維護(hù)難度。

② 適用于簡(jiǎn)單任務(wù)：“十”字形布局的無人機(jī)適用于執(zhí)行一些簡(jiǎn)單的飛行任務(wù)，如短距離航拍、初學(xué)者訓(xùn)練等。它的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性使得飛手能夠輕松掌握操作技巧，完成基本的飛行任務(wù)。

（2）缺點(diǎn)

① 重心相對(duì)較高：4個(gè)電機(jī)分布在無人機(jī)的4個(gè)角落，這可能會(huì)影響無人機(jī)的飛行穩(wěn)定性，特別是在風(fēng)速較大或者突發(fā)氣流的情況下。

② 設(shè)備搭載困難：“十”字形布局的無人機(jī)機(jī)頭前方裝有電機(jī)，若想搭載相機(jī)云臺(tái)等設(shè)備較為困難。

雖然“十”字形布局的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但目前市面上主流的無人機(jī)廠商設(shè)計(jì)的無人機(jī)，如大疆創(chuàng)新、道通等公司的多旋翼無人機(jī)，以及目前通用的無人機(jī)機(jī)架，基本都選用“X”形。因此，為了方便讀者購(gòu)買零件進(jìn)行組裝，本書后文關(guān)于機(jī)架選擇以及無人機(jī)組裝內(nèi)容均基于“X”形布局進(jìn)行講解。