3.2　FPV四轴无人机工作原理

下面一起了解下四轴飞行器的六种飞行姿态及其工作原理。

（1）垂直运动

如右图所示，即飞行器垂直上升或下降。正如前文所说的，四个电机保持在同一转速，就能够在水平方向上保持稳定。如果四个电机增加到在同一个转速，产生的推力足以克服飞行器自身的重力，便能够上升；反之，如果四个电机同时降低到同一个速度，产生的推力无法克服飞行器的重力，便可以下降。如果外界没有其他的扰动，四个电机产生的推力恰好克服飞行器的重力，这样，飞行器就可以悬停在空中。只要让四个电机保持在相同转速，便能够让飞行器平稳地垂直运动，相对来说比较简单。

（2）前后运动和侧向运动

如下页图所示，电机1为飞行器头部，而电机2为飞行器尾部。

为了在水平上获得一个推力，增加电机2的转速，尾部的推力增加；降低电机1的转速，头部的推力减小。整个机身会向前倾，合成了一个水平向前的推力，机身便能够向前运动。同时保持电机3和电机4的转速，反扭矩平衡，才能够保证机身平稳地向前。向后运动正好与向前运动相反。

因为四旋翼飞行器是中心对称的，前后运动和侧向运动的控制是完全类似的，两组正反电机的控制方式对调即可。例如，保持电机1和电机2的转速不变，增加电机4的转速而降低电机3的转速，便能够产生向右的水平力，于是机身向右运动。

（3）偏航运动

前面介绍的三种运动都是空间三个轴上的平移，接下来要介绍的三种运动是绕着三轴的旋转。

如下图所示，偏航运动就是在水平方向上的左右转动，即绕着Z轴的旋转。旋翼在转动的过程中，由于空气阻力的作用，会形成与转动方向相反的反扭矩。偏航运动就是利用反扭矩实现的。当飞行器悬停时，4个电机的转速相同，两组正反扭矩相互抵消，维持平衡。当4个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器水平转动，从而实现偏航运动。

如左图所示，提升电机1和电机3的转速，同时降低电机2和电机4的转速，电机1和3产生的顺时针反扭矩大于电机2和电机4产生的逆时针反扭矩，而且总的向上推力没有发生变化，于是机身在水平面上顺时针转动，又不会出现垂直位移。同理，逆时针偏航转动正好相反。

（4）俯仰运动和滚转运动

俯仰运动是指在Y轴上的旋转，而滚转运动则是在X轴上旋转。

如下图所示，提升电机1的转速，降低电机2的转速，两者转速的变化量应该一样，同时保持电机3和电机4转速不变。机身头部的推力大于尾部的推力，不平衡的力矩使得机身仰起。同样的，俯身运动则是降低电机1的转速，而提升电机2的转速，产生一个向前倾的力矩。

同样是因为中心对称的缘故，滚转运动与俯仰运动的原理一样。维持电机1和电机2的转速不变，改变电机3和电机4的转速，产生不平衡的力矩，使得机身绕着X轴做滚转运动。

下面总结下四轴无人机完整控制流程。

遥控器发出控制命令，比如起飞、向左飞等，遥控信号接收模块接收到遥控器发出的控制信号，将其转化为PWM或者PPM等信号传递给飞行控制器。飞控根据遥控信号以及传感器的值（当前飞行器的状态，如加速度、方位等信息）来通过PWM控制四个电机以达到预期的动作。

因为四旋翼飞行器的四个电机组合控制才能实现六个方向的运动，是一个欠驱动系统，必须要有一个飞行控制器来控制整个系统。或者说，四轴飞行器不像固定翼飞机那样，可以在结构上实现稳定。比如，固定翼飞机可以切断动力后在空中继续滑翔，而四旋翼无人机则不可以。这也是旋翼无人机必须靠飞控来维持自身稳定的原因。

在飞控中，传感器是必需的，如陀螺仪和加速度计。微控制器计算这两个传感器所传来的数据，获得当前飞行器的姿态，然后通过PID等算法调整电机的转速，以保持飞行器的稳定。当然还可以加入电子罗盘掌握机身的方向，加入GPS模块确定飞行器的地理位置。所以简单来说，四旋翼飞行器是一个具备两个闭环控制的系统，大环由遥控接收设备注入输入量，小环由姿态传感器注入输入量。

当然，这个过程中也有一些技术细节需要设计，比如传感器读入的数据需要进行滤波以及俯仰（Pitch）、滚转（Roll）、偏航（Yaw）等动作的PID算法设计及调整。这是一个较复杂的综合系统，如果读者想在理论方面从零开始学习则需要介绍许许多多，受篇幅所限，请参考相关资料，这里就不详细介绍了。