四軸飛行器、無人機——無論怎么稱呼它們，這些小玩意兒都既迷人又好玩！對于喜歡DIY的人來說，組裝一架四軸飛行器絕對是一個很棒的項目。

但四軸飛行器究竟是如何工作的呢？它是如何飛行的？需要組裝哪些部件才能打造一架屬于自己的四軸飛行器？

一、四軸飛行器如何飛行？

本文將重點介紹四軸飛行器，但本文解釋的很多內容也適用于其他配備四個以上螺旋槳的飛行器。因此，如果你正在構建四軸飛行器，本文中的很多內容也同樣適用。

在解釋四軸飛行器或任何多旋翼飛行器的工作原理之前，我們需要定義一些重要的概念——俯仰、偏航和滾轉。這些術語指的是飛行器在飛行過程中可以自由移動的三個維度。

俯仰——俯仰是指飛機機頭的上仰或下仰。可以把它想象成爬升或俯沖。

偏航——偏航指的是飛機機頭向左或向右轉動。可以簡單地理解為轉彎。

滾轉——要理解滾轉，想象一下從飛機前部延伸到后部的一條軸線。飛機滾轉時，它就是以此為軸轉動。也可以將滾轉理解為傾斜。

四軸飛行器使用四個電機。其中兩個電機順時針旋轉，另外兩個電機逆時針旋轉。同一軸上的電機旋轉方向相同，如圖所示。

四軸飛行器旋翼旋轉方向

高度這個詞你可能很熟悉——它描述的是上升或下降。四軸飛行器可以懸停，也可以通過向四個旋翼施加相同的推力來調整高度。

四軸飛行器懸停
為了調整偏航角（Yaw），也就是讓飛行器向左或向右轉動，四軸飛行器會向一組電機施加更大的推力。例如，四軸飛行器可能會向順時針旋轉的兩個電機施加更大的推力來實現轉彎。

四軸飛行器偏航調整

另一方面，俯仰和滾轉的調整是通過在一個轉子上施加較大的推力，而在另一個轉子上施加較小的推力來實現的。例如，四軸飛行器可以通過向前方順時針旋轉的電機施加較大的推力，而向后方正對的順時針旋轉的電機施加較小的推力來調整俯仰。

四軸飛行俯仰調節

四軸飛行器易于飛行的一個原因是實際上不必手動調整電機速度，因為這是控制器和電子設備發揮作用的地方。

二、電機

沒有電機，四軸飛行器就飛不起來，所以選擇合適的電機至關重要。可惜的是，電機的規格有時會讓人困惑。

大多數四軸飛行器使用無刷直流電機，盡管較便宜的四軸飛行器和微型直升機中的電機通常帶有刷子。

無刷電機由一個帶有永磁體的轉子和圍繞轉子的多個電磁鐵（也稱為極點）組成。無刷電機的極點數從 2 到 14 個不等。極點數越多，電機的控制精度就越高。

無刷電機有三根電線，分別控制電機的三個相位。通過改變這些電線的連接方式，可以控制電機順時針或逆時針旋轉。

四軸飛行器電機的關鍵規格之一是其千伏 (KV) 額定值。KV 并非千伏，而是指在電機空載狀態下施加 1 伏電位差時，電機每分鐘的轉速 (RPM)。KV 也可以理解為每分鐘轉數 (RPM)。四軸飛行器典型的 KV 額定值在 500 到 2500 之間。低 KV 電機可以驅動大型螺旋槳，從而產生更大的推力。

一般來說，重量超過 1 公斤的四軸飛行器會使用額定功率在 700 至 900 千伏之間的電機。重量在半公斤至 1 公斤之間的飛行器會使用額定功率在 900 至 1300 千伏之間的電機。重量低于 500 克的飛行器會使用額定功率在 1300 至 2200 千伏之間的電機。

電機的最大額定電流是另一個重要因素。在選擇電子調速器 (ESC) 和電池之前，需要知道這個以安培為單位的數值。

電機的額定推力與螺旋槳尺寸相關。這是一個重要的參數，需要了解四軸飛行器的總重量，請記住，該重量包含電機本身的重量。

基本經驗法則是，電機和螺旋槳的組合應該能夠產生相當于飛行器重量兩倍的推力。因此，對于擁有四個電機的四軸飛行器來說，這意味著每個電機應該能夠提供相當于整架飛行器重量一半的推力。換句話說，一架1公斤重的四軸飛行器需要四個電機，每個電機至少能夠產生半公斤的推力。

另一個重要的電機規格是軸的直徑。這很重要，因為它決定了能用哪種螺旋槳與電機匹配。

還需要查看安裝螺釘模式和電機支架，以確保電機能夠成功安裝到四軸飛行器的框架上。

三、螺旋槳

直徑和螺距是螺旋槳的兩個基本規格。螺旋槳通常以套裝形式出售，套裝中包含2個順時針螺旋槳和2個逆時針螺旋槳。

螺旋槳的直徑和螺距多種多樣，材質可以是塑料、碳纖維，甚至是木材。直徑小于 8 英寸的小型螺旋槳通常與高千伏電機配合使用，用于競賽和特技飛行。直徑超過 8 英寸的螺旋槳通常與低千伏電機配合使用，用于提升重型有效載荷，例如攝像機。

螺距通常定義為“每轉的行程距離”。螺距越大，旋轉速度越慢，這會提高飛行速度，但也會消耗更多功率。實際上，只需更換螺距較小的螺旋槳，即可延長四軸飛行器的飛行時間。螺距較小的螺旋槳可以產生更大的扭矩，從而降低電機的電流消耗。

螺旋槳的直徑指的是其尺寸。增加直徑可以提高螺旋槳的效率，但也會消耗更多的電機電流。

電機與螺旋槳的匹配也是影響穩定性的一個因素，尤其是在攜帶相機時。對于大型四軸飛行器來說，如果要攜帶較大的有效載荷，大螺旋槳和低千伏電機通常效果最佳。

四、電子速度控制器（ESC）

控制無刷直流電機的設備稱為電子調速器（ESC）。每個電機都需要一個。

ESC 有三組電線。其中三根粗線連接到無刷電機的三根電線。另外兩根粗線連接到配電板，為 ESC 和電機供電。此外，還有三根細線連接到飛行控制器。

ESC 的額定電流必須能夠承受電機的最大電流。選擇額定電流高于電機最大電流的 ESC 始終是明智之舉。

五、飛行控制器

四軸飛行器飛行控制器

飛行控制器是四軸飛行器的大腦。它通過向電調發送信號來控制電機的速度。

高級飛行控制器功能更豐富，并配備陀螺儀、加速度計、聲納、GPS 和磁力計等傳感器。簡易飛行控制器僅包含陀螺儀，對于大多數初學者來說已經足夠。

飛行控制器將接收來自機載無線電接收器的信號，以便遠程控制四軸飛行器。然后，它會發揮其神奇的功能，向電子調速器 (ESC) 發送信號來控制電機轉速。

飛行控制器實際上是小型計算機，因此可以通過連接到計算機進行編程和更新。盡管飛行控制器很復雜，但實際上并不昂貴。

六、無線電發射器和接收器

四軸飛行器將配備一個機載無線電接收器，可以使用手持無線電發射器控制該設備。接收器和發射器均由其支持的通道數量和工作頻率決定。

無線電系統中的每個通道控制四軸飛行器的一個功能或設備。控制四軸飛行器至少需要通道，但大多數人至少會從六個通道開始。額外的通道可用于控制照明或控制云臺電機來定位相機。

四個基本通道的使用方式如下：一個通道用于油門，一個通道用于左右轉彎，一個通道用于前后俯仰，一個通道用于左右滾轉。換句話說，油門、偏航、俯仰和滾轉。每個通道也可以用來切換不同的飛行模式。

如果你計劃使用多架四軸飛行器，可以購買一個發射器和幾個兼容的接收器。顯然，這樣每次只能飛行一架飛行器。這是一個不錯的策略，因為它能讓你買得起高質量的發射器，而接收器通常也相當便宜。

發射器-接收器組合以兩種不同的模式工作，這些模式本質上決定了發射器上的控制配置。

模式 1 配置將升降舵控制設在左搖桿上，將油門控制設在右搖桿上。模式 2 則將這兩個控制反轉，這是最常用的配置。如果你是初學者，通常建議將設備設置為模式 2。

七、電池

四軸飛行器電池

沒有電池，四軸飛行器就飛不起來。電池的選擇是在設計和制造四軸飛行器時最重要的決定之一。

更大的電池容量更大，因此飛行時間也更長。然而，隨著電池容量的增加，其重量也會增加，而增加四軸飛行器的重量會縮短飛行時間，因為需要更大的電機電流來提升有效載荷。請記住，較重的四軸飛行器靈活性也會降低。

電池的主要規格是其電流容量，以毫安/小時（mAh）為單位。一塊2200 mAh的電池可以提供2.2安培的電流，持續1小時。

電池的另一個規格是電壓。電池由多個電芯組成，普通鋰聚合物電池的每個電芯能夠輸出3.7伏電壓。因此，電池電壓通常指定為3.7伏的倍數——例如，3.7伏、7.4伏、11.1伏和14.8伏是常見的。如果選擇更高電壓的電池，請確保電調和電機都能支持該電壓。

八、框架

最后我們來看看框架，它將四軸飛行器固定在一起。框架可以由多種材料制成，例如木材、塑料或碳纖維。碳纖維的強度與其重量相當，但也可能很脆，這一點必須考慮，因為毫無疑問，你的四軸飛行器最終可能會墜毀。

四軸飛行器的機架尺寸以毫米為單位，指的是四軸飛行器上電機之間的距離。常見的機架尺寸為 180 毫米、250 毫米和 400 毫米。競速四軸飛行器通常為 250 毫米。

為四軸飛行器選擇框架時，請確保它有足夠的空間和間隙來安裝 ESC 和飛行控制器等物品，以及希望攜帶的任何其他物品（例如相機）。

一些愛好者也會自己制作框架，通常是用木頭。木頭其實是個不錯的選擇，因為它易于加工，而且價格也相當昂貴。它也很容易改裝，以便四軸飛行器安裝配件。然而，木頭容易變形，這會導致四軸飛行器飛行不穩定。

甚至可以使用 3D 打印機制作框架或框架的一部分。

好了，以上就是四軸飛行器的基本組件。把這些組件組裝起來，你就可以設計一架屬于自己的四軸飛行器了。

翻譯：信盈達分享匯

原文地址：https://dronebotworkshop.com/how-does-a-quadcopter-work/