近年來，無人機(jī)憑借其在多個領(lǐng)域的便捷應(yīng)用，掀起了一場迅猛的發(fā)展潮流。尤其在當(dāng)今世界的多場戰(zhàn)爭中，無人機(jī)的嶄新戰(zhàn)術(shù)運用達(dá)到了淋漓盡致的高潮，成為軍事領(lǐng)域的璀璨之星。

無人機(jī)行業(yè)的近年蓬勃發(fā)展，宛如一片璀璨的新星匯聚成的輝煌星空。創(chuàng)新和科技的融合將無人機(jī)推向生活的前沿，成為引領(lǐng)時代的先鋒。這是一場風(fēng)起云涌的科技巨變，為我們描繪出了一個嶄新而引人入勝的無人機(jī)時代。

下面我們針對生活中常見的四旋翼無人機(jī)的飛行原理做個基礎(chǔ)的介紹。

一：四旋翼無人機(jī)的兩種結(jié)構(gòu)模型介紹

一般情況下，根據(jù)四旋翼無人機(jī)上馬達(dá)分部的相對位置將四旋翼無人機(jī)分為如下兩種結(jié)構(gòu)模式

“×”字模式： Pitch和 Roll與1,3、2,4兩組電機(jī)呈 45°夾角 。
“十”字模式： Pitch對應(yīng)2,4電機(jī)的對軸，Roll對應(yīng)1,3電機(jī)的對軸，夾角為0。

一般的無人機(jī)基本都采用“X”字模式的結(jié)構(gòu)。“X”型無人機(jī)優(yōu)點是控制靈活，同樣是俯仰運動中，“x”型無人機(jī)需要控制四個電機(jī);具體表現(xiàn)為，前兩個電機(jī)轉(zhuǎn)速同時增大（減小），后兩個電機(jī)轉(zhuǎn)速同時減小（增大）。因為其運動是四個電機(jī)轉(zhuǎn)速同時變化，運動（俯仰運動）的合力來源于四個電機(jī)（“+”型只有前后兩個電機(jī)提供力），所以其運動的加速度更快，運動更加靈活。但是同樣，控制四個電機(jī)使飛行器穩(wěn)定的難度要大于控制兩個電機(jī)，所以控制難度高是“X”型無人機(jī)一個缺點。鑒于現(xiàn)階段商業(yè)飛控，開源飛控都已經(jīng)有很成熟的算法控制飛行器穩(wěn)定飛行，且“X”型飛行器易于懸掛云臺，所以市面上的四軸飛行器絕大部分都是“X”型或“H”型，很少看到有“+”型。

“H”型無人機(jī)類似于“X”型，這里就不過多贅述了。只講其一個缺點，“H”型無人機(jī)因為物理結(jié)構(gòu)問題，其飛行器的腰部很容易扭折，所以市面上的“H”型無人機(jī)都會對腰部進(jìn)行加固，但是如果操作不當(dāng)，還是容易損壞。

“+”型的四軸飛行器因為其電機(jī)布局和兩個姿態(tài)角（俯仰角和翻滾角）重合，其控制難度較小。舉個例子，“+”型飛行器想要進(jìn)行俯仰運動時，只需控制前后兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)速，左右電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變即可，所以其控制飛行器穩(wěn)定的難度較小，相對來說易于控制。

二：四旋翼飛行器的6個自由度介紹

四旋翼飛行器的旋翼結(jié)構(gòu)如圖a所示。飛行時，以1號電機(jī)為機(jī)頭，3號電機(jī)為機(jī)尾，2號和4號電機(jī)分別位于機(jī)身的左、右側(cè)。當(dāng)飛行器平衡飛行時，電機(jī)1和電機(jī)3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機(jī)2和電機(jī)4順時針旋轉(zhuǎn)以抵消電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)使飛行器發(fā)生自旋。四旋翼飛行器在空間共有6個自由度（分別沿3個坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動作），對每個自由度的控制我們都可以通過調(diào)節(jié)不同電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。下面逐個說明飛行器的各種飛行姿態(tài)。

（1）垂直運動

如圖a，1號和3號電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)，2號和4號電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)來平衡其對機(jī)身的反扭矩。如果同時增加四個電機(jī)的轉(zhuǎn)速（圖中各個電機(jī)中心引出的向上箭頭表示加速，若箭頭向下表示減速），每個電機(jī)帶動螺旋槳產(chǎn)生更大的升力，當(dāng)合力足以克服整機(jī)的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時減小四個電機(jī)轉(zhuǎn)速，四旋翼飛行器則垂直下降，當(dāng)旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重且無外界干擾時，飛行器便可保持懸停狀態(tài)。

（2）俯仰運動

如圖b所示，電機(jī)1的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)2、電機(jī)4的轉(zhuǎn)速保持不變（圖中各個電機(jī)中心引出的向上箭頭表示加速，若箭頭向下表示減速，沒有箭頭表示速度不變）。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞Y軸旋轉(zhuǎn)（方向如圖b所示）。同理，當(dāng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升時，機(jī)身便繞Y軸反方向旋轉(zhuǎn)。實現(xiàn)了飛行器的俯仰運動。

（3）滾轉(zhuǎn)運動

與圖b的原理相同，在圖c中，改變電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機(jī)身繞X軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實現(xiàn)飛行器的左右滾轉(zhuǎn)運動。

（4）偏航運動

如圖d所示，四旋翼飛行器偏航運動就是繞自身垂直軸Z軸旋轉(zhuǎn)，可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來實現(xiàn)。旋翼轉(zhuǎn)動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉(zhuǎn)動方向相反的反扭矩。為了克服反扭矩的影響，可使四個旋翼中的兩個正轉(zhuǎn)，兩個反轉(zhuǎn)，且對角線上的電機(jī)轉(zhuǎn)動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時，四個旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動；當(dāng)四個電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動。

在圖d中，當(dāng)電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速下降時，旋翼1和旋翼3對機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在不平衡反扭矩的作用下繞Z軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)飛行器的偏航運動，轉(zhuǎn)向與電機(jī)1、電機(jī)3的轉(zhuǎn)向相反。

（5）前后運動

如圖e所示，增加電機(jī)3轉(zhuǎn)速，使尾部拉力增大；相應(yīng)減小電機(jī)1轉(zhuǎn)速，使頭部拉力減小；同時保持其它兩個電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。按圖b的理論，飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實現(xiàn)飛行器的前飛運動（向后飛行與向前飛行正好相反）。當(dāng)然在圖b，圖c中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運動的同時也會產(chǎn)生沿X、Y軸的水平運動。

（6）側(cè)向運動

在圖f中，由于結(jié)構(gòu)對稱，所以側(cè)向飛行的工作原理與前后運動完全一樣。