四軸飛行器又稱(chēng)四旋翼飛行器、四旋翼直升機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)四軸、四旋翼。這四軸飛行器（Quadrotor）是一種多旋翼飛行器。四軸飛行器的四個(gè)螺旋槳都是電機(jī)直連的簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)，十字形的布局允許飛行器通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)身的力，從而調(diào)整自身姿態(tài)。具體的技術(shù)細(xì)節(jié)在“基本運(yùn)動(dòng)原理”中講述。因?yàn)樗逃械膹?fù)雜性，歷史上從未有大型的商用四軸飛行器。近年來(lái)得益于微機(jī)電控制技術(shù)的發(fā)展，穩(wěn)定的四軸飛行器得到了廣泛的關(guān)注，應(yīng)用前景十分可觀。

　　小型的四軸飛行器可以自由地實(shí)現(xiàn)懸停和空間中的自由移動(dòng)，具有很大的靈活性。此外，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械穩(wěn)定性好，所以成本低廉、性?xún)r(jià)比很高。主要的應(yīng)用是玩具、航模，以及航拍，新的應(yīng)用也在不斷的拓展之中。

　　四軸飛行器組成

　　四軸飛行器由電機(jī)、電調(diào)、槳、機(jī)架、電池、充電器、遙控器、飛控板等部件組成。

　　飛控板

　　飛行控制器（飛控）是飛行器的大腦，飛控板上配置有中央處理器、姿態(tài)測(cè)量傳感器、無(wú)線接收器等器件，飛控板完成自身穩(wěn)定的飛行，并且它還要從接收器接受信號(hào)，并把信號(hào)傳輸給電調(diào)告訴它如何飛行，其中最困難的在于如何保持飛行器飛行的穩(wěn)定性。為了保持穩(wěn)定性，飛控板就需要各種各樣的傳感器完成自身的姿態(tài)解算并控制四個(gè)電機(jī)的輸出動(dòng)力，使自身保持穩(wěn)定。

　　電調(diào)

　　電調(diào)的作用就是將飛控板的控制信號(hào)，轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/電流/" target="_blank">電流的大小，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因?yàn)殡姍C(jī)的電流是很大的，通常每個(gè)電機(jī)正常工作時(shí)，平均有3A左右的電流，如果沒(méi)有電調(diào)的存在，飛控板根本無(wú)法承受這樣大的電流（另外也沒(méi)驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)的功能）。同時(shí)電調(diào)的BEC輸出功能在四軸當(dāng)中還充當(dāng)了電壓變化器的作用，將11.1v的電壓變?yōu)?v為飛控板和遙控接收機(jī)供電。在四軸上，4個(gè)電調(diào)的正負(fù)極需要并聯(lián)（紅色連一起，黑色連一起），并接到電池的正負(fù)極上；電調(diào)3根黑色的電機(jī)控制線用于連接電機(jī)。

　　正反槳

　　四軸飛行為了抵消螺旋槳的自旋，相隔的槳旋轉(zhuǎn)方向是不一樣的，所以需要正反槳。正反槳的風(fēng)都向下吹。適合順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的叫正漿、適合逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的是反漿。安裝的時(shí)候，一定記得無(wú)論正反槳，有字的一面是向上的（槳葉圓潤(rùn)的一面要和電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向一致）。

　　四軸飛行器自動(dòng)控制原理

電路圖

　　典型的傳統(tǒng)直升機(jī)配備有一個(gè)主轉(zhuǎn)子和一個(gè)尾漿。他們是通過(guò)控制舵機(jī)來(lái)改變螺旋槳的槳距角，從而控制直升機(jī)的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器與此不同，是通過(guò)調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。由于飛行器是通過(guò)改變旋翼轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)升力變化，這樣會(huì)導(dǎo)致其動(dòng)力不穩(wěn)定，所以需要一種能夠長(zhǎng)期確保穩(wěn)定的控制方法。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直起降機(jī)，因此非常適合靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下飛行。但是四旋翼飛行器只有四個(gè)輸入力，同時(shí)卻有六個(gè)狀態(tài)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

　　為了保持飛行器的穩(wěn)定飛行，在四軸飛行器上裝有3個(gè)方向的陀螺儀和3軸加速度傳感器組成慣性導(dǎo)航模塊，可以計(jì)算出飛行器此時(shí)相對(duì)地面的姿態(tài)以及加速度、角速度。飛行控制器通過(guò)算法計(jì)算保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)所需的旋轉(zhuǎn)力和升力，通過(guò)電子調(diào)控器來(lái)保證電機(jī)輸出合適的力。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　四軸飛行器運(yùn)動(dòng)原理

　　如圖所示，電機(jī)1和電機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2和電機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí)，陀螺效應(yīng)和空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消。

　　四軸飛行器是一個(gè)在空間具有6個(gè)活動(dòng)自由度（分別沿3個(gè)坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作），但是只有4個(gè)控制自由度（四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速）的系統(tǒng)，因此被稱(chēng)為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（只有當(dāng)控制自由度等于活動(dòng)自由度的時(shí)候才是完整驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）。不過(guò)對(duì)于姿態(tài)控制本身（分別沿3個(gè)坐標(biāo)軸作旋轉(zhuǎn)動(dòng)作），它確實(shí)是完整驅(qū)動(dòng)的。

　　與直升機(jī)相比，四軸飛行器可以實(shí)現(xiàn)的飛行姿態(tài)較少，不過(guò)基本的前進(jìn)、后退、平移等狀態(tài)都可以實(shí)現(xiàn)。但是四軸飛行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比直升機(jī)簡(jiǎn)單，維修和更換的開(kāi)銷(xiāo)也非常小，這讓四軸飛行器有了比直升機(jī)更大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

　　垂直運(yùn)動(dòng)

　　圖（a）中，因有兩對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對(duì)機(jī)身的反扭矩，當(dāng)同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當(dāng)總拉力足以克服整機(jī)的重量時(shí)，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時(shí)減小四個(gè)電機(jī)的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實(shí)現(xiàn)了沿z軸的垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外界擾動(dòng)量為零時(shí)，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時(shí)，飛行器便保持懸停狀態(tài)。保證四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速同步增加或減小是垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。

　　俯仰運(yùn)動(dòng)

　　圖（b）中，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。為了不因?yàn)樾磙D(zhuǎn)速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變，旋翼1與旋翼3轉(zhuǎn)速改變量的大小應(yīng)相等。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，機(jī)身便繞y軸向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。

　　滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

　　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(shí)現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

　　偏航運(yùn)動(dòng)

　　四旋翼飛行器偏航運(yùn)動(dòng)可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)。旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中由于空氣阻力作用會(huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個(gè)旋翼中的兩個(gè)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)反轉(zhuǎn)，且對(duì)角線上的各個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，四個(gè)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(dòng)；當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，不平衡的反扭矩會(huì)引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動(dòng)。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(shí)，旋翼1和旋翼3對(duì)機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對(duì)機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向與電機(jī)1、電機(jī)3的轉(zhuǎn)向相反。因?yàn)殡姍C(jī)的總升力不變，飛機(jī)不會(huì)發(fā)會(huì)垂直運(yùn)動(dòng)。

　　前后運(yùn)動(dòng)

　　要想實(shí)現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運(yùn)動(dòng)，必須在水平面內(nèi)對(duì)飛行器施加一定的力。在圖（e）中，增加電機(jī)3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機(jī)1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時(shí)保持其它兩個(gè)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(shí)現(xiàn)飛行器的前飛運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生沿x、y軸的水平運(yùn)動(dòng)。

　　側(cè)向運(yùn)動(dòng)

　　在圖（f）中，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，所以側(cè)向飛行的工作原理與前后運(yùn)動(dòng)完全一樣。

　　四軸飛行控制算法

　　四軸作為一個(gè)飛行控制系統(tǒng)，其本身是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有反饋調(diào)節(jié)功能，其主要控制過(guò)程分為姿態(tài)解算和控制過(guò)程兩個(gè)步驟。

　　（1）姿態(tài)解算：姿態(tài)解算是借助陀螺儀和加速度計(jì)傳感器測(cè)量出系統(tǒng)坐標(biāo)系的3個(gè)方向的角速度以及加速度，然后進(jìn)行卡爾曼濾波做數(shù)據(jù)濾波+融合處理，最后用四元素算法或者是歐拉角公式求解出慣性坐標(biāo)系下的俯仰角（pitch）、翻滾角（roll）、偏航角（yaw），這3個(gè)角度成為姿態(tài)角。

　　（2）控制過(guò)程：控制過(guò)程就是飛控板不停進(jìn)行姿態(tài)解算并算出來(lái)當(dāng)前時(shí)刻的姿態(tài)角，然后通過(guò)控制算法計(jì)算出來(lái)當(dāng)前時(shí)刻要對(duì)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制值，最終使四軸是3個(gè)姿態(tài)角始終保持在設(shè)定的狀態(tài)下。如果想要四軸處于懸停狀態(tài)，只要把3個(gè)目標(biāo)姿態(tài)角都設(shè)為0°就行了；如果想要四軸處于其他飛行狀態(tài)，只要調(diào)整3個(gè)目標(biāo)姿態(tài)角就可以了，四軸就會(huì)自動(dòng)的變化到預(yù)設(shè)的飛行狀態(tài)上去?？刂扑惴ㄟ€是用的PID比較多，不過(guò)不是傳統(tǒng)的PID，而是對(duì)PID做了改進(jìn)和優(yōu)化處理了。