四轴飞行器作为低成本的实验平台，在各个领域都有发挥作用的潜力。对比于其他类型的飞行器，四轴飞行器拥有结构简单紧凑，飞行效率高，机动灵活的优点。本文主要阐述四轴飞行器的工作原理。

四轴飞行器几乎是结构最简单的飞行器，控制上也相对容易对其进行分析。四个旋翼分别产生四个垂直方向的力和四个反扭力，当这八个力处于平衡状态时，四轴飞行器可以在静 止的空气中平稳悬停，当控制其中一个或者多个力共同改变时，四轴飞行器将可以离开平稳状态向所需要的方向进行改变。

四轴飞行器工作过程中本身是不稳定的，需要一套飞行控制系统对每一个电机的输出量 进行实时调整。这套系统需要做的工作是检测四轴飞行器当前所处的姿态，并计算出控制量， 同时控制四个电机，即可使飞行器的受力发生改变。图 2-1 四轴飞行器飞行原理 展现了其 悬停时四个电机的转速一致。图 2-2 四轴飞行器逆时针旋转 为四轴飞行器逆时针旋转的例 子，1、3 号电机减速，2、4 号电机加速。其余控制情况类似。

图 2-1 四轴飞行器飞行原理

图 2-2 四轴飞行器逆时针旋转

实现自动控制的主要工作过程分为两个部分。第一部分为姿态解算，控制中心通过多 个不同的惯性传感器和电子罗盘获取当前四轴飞行器的姿态数据，通过四元数算法和互补滤 波器进行融合后姿态积分，而后通过四元数转欧拉角矩阵，得出当前的飞行器姿态角度。第二部分为控制算法，控制中心利用当前的姿态角度与期望姿态角度做对比，得到偏差角度,将偏差角度输入 PID 控制算法，即可输出三个方向上的修正量。最后，利用三个方向的修正量，通过映射关系，映射到四个电机输出，即可实现飞行器自动控制飞行。

四轴飞行器的硬件组成主要由飞行控制板、电源管理模块以及无刷电子调速器三部分组成：飞行控制器是整个控制系统的核心，它负责计算当前飞行器的姿态，并输出控制量。飞行控制板上搭载有三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁阻传感器、大气压力传感器和 GPS 模 块；电源模块主要负责整个四轴飞行器的供电，同时负责监控供电锂电池的电量情况，以确保四轴飞行器能够有正常的电量供给。无刷电子调速器主要负责驱动三相无感无刷电机，其 工作过程中，受飞行控制板的指挥调控，根据飞行控制板所提供的相关参量输出控制无刷电机。

四旋翼飞行器在空间共有 6 个自由度（分别沿 3 个坐标轴作平移和旋转动作），这 6 个 自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现；

其基本运动状态分别为：

1. 垂直运动 在图a中，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加 四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的 重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四 旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿 z 轴的垂直运动；当外界扰动量 为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态；保证四 个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键；

2. 俯仰运动在图b中，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机 2、电机4的转速保持不变；为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等；由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转（方向如图所示），同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动；

3. 滚转运动与图b原理相同，在图c中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动；

4. 偏航运动四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现；旋翼转动过程中由 于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的来年各个旋翼转动方向相同；反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动； 在图d中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反；

5. 前后运动 要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加 一定的力；在图e中，增加电机3转速，使拉力增大，相应减小电机1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡；按图b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动，向后飞行与向前飞行正好相反；当然在图b图c中，飞行器在产生俯仰、 翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动；

6.侧向运动 在图f中，由于结构对称，所以侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样；

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