第2章
四旋翼飞行器飞行原理

2.1　基本原理

四旋翼飞行器通过改变自身4个旋翼的转速，可以比较灵活地进行各种飞行动作。其主要依据的运动原理是力的合成与分解，以及空气转动扭矩的反向性。四旋翼飞行器通常有两种模式，即“十”字形模式与X形模式。

需要注意的是，相邻的两个旋翼的转动方向相反，而在对角线上的两个电机的转动方向相同。例如，图2.1.1中的X形模式，1、4电机是顺时针方向转动，而2、3电机是逆时针方向转动。这样一来，为了保证它们产生的升力都是向上的，1、4电机需要使用的螺旋桨是“正桨”，一般指顺时针方向转动能产生向上升力的桨；而2、3电机使用的螺旋桨是“反桨”，即逆时针方向产生向上升力的桨。在装配四轴时，也应注意4个旋翼都是“向下吹风”的，以便均提供向上的拉力。

图2.1.1　X形模式与“十”字形模式

这样做的原因是旋翼在旋转时会产生反扭矩。例如，顺时针方向转动的桨在转动时，空气会产生使得四轴逆时针方向转动的反向扭矩。而当1、4同方向，2、3同方向的时候，这两个扭矩就恰好抵消掉，使得四轴在偏航方向能保持平衡，不至于出现自旋转。

四旋翼飞行器可以分别沿着机体的X、Y、Z三个轴进行旋转或者平移运动，因此在每个轴向上有两个自由度。四旋翼飞行器有6种基本飞行动作。

1．升降运动

升降运动（如图2.1.2所示）实际上就是飞行器在Z轴方向的上下运动。假设四旋翼飞行器处于平稳状态，4个旋翼转速完全一样。此时同时使4个旋翼转速增加，可以让升力克服机体重量，使得机体垂直向上运动；反之，同时减小4个旋翼的转速，可使机体垂直下降。当4个旋翼处于某一转速时，升力和机体重力相等，此时飞行器处于平稳悬停的状态。

图2.1.2　升降运动

2．俯仰运动

假设以X轴正方向为飞行器前进方向（电机0为前方），俯仰运动是飞行器以机体坐标Y轴为中心轴的一个转动。如图2.1.3所示，以仰动作为例，在保持电机1、3转速不变的同时，电机0的转速增加使升力加大，电机2的转速减小使升力降低。飞行器会以机体Y轴（电机1、3所在轴）为转轴产生一个转动，电机0上升，而电机2下降，这就是飞行器的仰动作；反之，保持电机1、电机3的升力不变，让电机2转速增加，电机0转速减小，将实现飞行器俯的动作。俯仰动作需要通过控制飞行器前后方向上的两个电机的速率来实现。俯仰动作实质上还会影响飞行器的前进和后退动作。

3．横滚运动

横滚运动与俯仰动作原理相同，如图2.1.4所示，保持电机0和电机2的转速不变，分别改变电机1、3的转速，可使机身以机体坐标的X轴为旋转轴旋转。横滚动作实质上还会影响飞行器的左移和右移动作。

图2.1.3　俯仰运动

图2.1.4　横滚运动

4．偏航运动（自旋）

偏航（转向）运动实际上是机体绕自身坐标Z轴的一个自旋转的过程。从单个旋翼来看，旋转中的旋翼会对机体有一个反扭矩。如果飞行器为单旋翼，在旋翼转动时，机身会朝反方向旋转。因此，多轴飞行器的旋翼均为偶数个，而且正反转各一半。这样在飞行中，正反转旋翼的反扭矩会相互抵消。四旋翼飞行器的偏航运动实质上是通过4个旋翼转速不同而使得扭矩不平衡的结果，就是使得机身绕机体坐标Z轴旋转。如图2.1.5所示，当电机0和电机2转速上升，同时电机1和电机3转速下降，电机0、2的反扭矩大于电机1、3的反扭矩，机身会以机体Z轴为转轴以电机0、2旋转方向的反方向旋转；反之，当电机1、3的转速上升，电机0、2的转速下降时，机身会朝与电机1、3转动相反的方向旋转。

图2.1.5　偏航运动