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四軸飛行器的工作原理
時間：2018-12-24 來源：華清遠(yuǎn)見
四軸飛行器作為低成本的實驗平臺，在各個領(lǐng)域都有發(fā)揮作用的潛力。對比于其他類型的飛行器，四軸飛行器擁有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，飛行效率高，機動靈活的優(yōu)點。本文主要闡述四軸飛行器的工作原理。
四軸飛行器幾乎是結(jié)構(gòu)最簡單的飛行器，控制上也相對容易對其進行分析。四個旋翼分別產(chǎn)生四個垂直方向的力和四個反扭力，當(dāng)這八個力處于平衡狀態(tài)時，四軸飛行器可以在靜 止的空氣中平穩(wěn)懸停，當(dāng)控制其中一個或者多個力共同改變時，四軸飛行器將可以離開平穩(wěn)狀態(tài)向所需要的方向進行改變。
四軸飛行器工作過程中本身是不穩(wěn)定的，需要一套飛行控制系統(tǒng)對每一個電機的輸出量 進行實時調(diào)整。這套系統(tǒng)需要做的工作是檢測四軸飛行器當(dāng)前所處的姿態(tài)，并計算出控制量， 同時控制四個電機，即可使飛行器的受力發(fā)生改變。圖 2-1 四軸飛行器飛行原理 展現(xiàn)了其 懸停時四個電機的轉(zhuǎn)速一致。圖 2-2 四軸飛行器逆時針旋轉(zhuǎn) 為四軸飛行器逆時針旋轉(zhuǎn)的例 子，1、3 號電機減速，2、4 號電機加速。其余控制情況類似。
圖 2-1 四軸飛行器飛行原理
圖 2-2 四軸飛行器逆時針旋轉(zhuǎn)
實現(xiàn)自動控制的主要工作過程分為兩個部分。第一部分為姿態(tài)解算，控制中心通過多 個不同的慣性傳感器和電子羅盤獲取當(dāng)前四軸飛行器的姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過四元數(shù)算法和互補濾 波器進行融合后姿態(tài)積分，而后通過四元數(shù)轉(zhuǎn)歐拉角矩陣，得出當(dāng)前的飛行器姿態(tài)角度。第二部分為控制算法，控制中心利用當(dāng)前的姿態(tài)角度與期望姿態(tài)角度做對比，得到偏差角度,將偏差角度輸入 PID 控制算法，即可輸出三個方向上的修正量。最后，利用三個方向的修正量，通過映射關(guān)系，映射到四個電機輸出，即可實現(xiàn)飛行器自動控制飛行。
四軸飛行器的硬件組成主要由飛行控制板、電源管理模塊以及無刷電子調(diào)速器三部分組成：飛行控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)計算當(dāng)前飛行器的姿態(tài)，并輸出控制量。飛行控制板上搭載有三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁阻傳感器、大氣壓力傳感器和 GPS 模 塊；電源模塊主要負(fù)責(zé)整個四軸飛行器的供電，同時負(fù)責(zé)監(jiān)控供電鋰電池的電量情況，以確保四軸飛行器能夠有正常的電量供給。無刷電子調(diào)速器主要負(fù)責(zé)驅(qū)動三相無感無刷電機，其 工作過程中，受飛行控制板的指揮調(diào)控，根據(jù)飛行控制板所提供的相關(guān)參量輸出控制無刷電機。
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），這 6 個 自由度的控制都可以通過調(diào)節(jié)不同電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)；
其基本運動狀態(tài)分別為：
1. 垂直運動 在圖a中，因有兩對電機轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對機身的反扭矩，當(dāng)同時增加 四個電機的輸出功率，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，同時減小四個電機的輸出功率，四 旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實現(xiàn)了沿 z 軸的垂直運動；當(dāng)外界擾動量 為零時，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態(tài)；保證四 個旋翼轉(zhuǎn)速同步增加或減小是垂直運動的關(guān)鍵；
2. 俯仰運動在圖b中，電機1的轉(zhuǎn)速上升，電機3的轉(zhuǎn)速下降，電機 2、電機4的轉(zhuǎn)速保持不變；為了不因為旋翼轉(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)速該變量的大小應(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身繞y軸旋轉(zhuǎn)（方向如圖所示），同理，當(dāng)電機1的轉(zhuǎn)速下降，電機3的轉(zhuǎn)速上升，機身便繞y軸向另一個方向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)飛行器的俯仰運動；
3. 滾轉(zhuǎn)運動與圖b原理相同，在圖c中，改變電機2和電機4的轉(zhuǎn)速，保持電機1和電機3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機身繞x軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運動；
4. 偏航運動四旋翼飛行器偏航運動可以借助旋翼產(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)，且對角線上的來年各個旋翼轉(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1和電機3的轉(zhuǎn)速上升，電機2和電機4的轉(zhuǎn)速下降時，旋翼1和旋翼3對機身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)飛行器的偏航運動，轉(zhuǎn)向與電機1、電機3的轉(zhuǎn)向相反；
5. 前后運動 要想實現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運動，必須在水平面內(nèi)對飛行器施加 一定的力；在圖e中，增加電機3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時保持其它兩個電機轉(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；
