四轴飞行器原理概述

目前应用广泛的飞行器有：固定翼飞行器和单轴的直升机。与固定翼飞行器相比，四轴飞行器机动性好，动作灵活，可以垂直起飞降落和悬停，缺点是续航时间短得多、飞行速度不快;而与单轴直升机比，四轴飞行器的机械简单，无需尾桨抵消反力矩，成本低 。

就小型电动四轴飞行器，简要介绍飞行器所涉及到的原理。

硬件构成

飞行器由机架、电机、螺旋桨和控制电路构成。

图1 四轴飞行器整机

电气构成

电气部分包括：控制电路板、电子调速器、电池，和一些外接的通讯、传感器模块。控制电路板是电气部分的核心，上面包含 MCU、陀螺仪、加速度计、电子罗盘、气压计等芯片，负责计算姿态、处理通信命令和输出控制信号到电子调速器。电子调速器简称电调，用于控制无刷直流电机。电气连接如图 2所示。

图2 电气连接图

软件构成

上位机

上位机是针对飞行器的需要，在 Qt SDK 上写的一个桌面程序，可以通过串口与飞行器相连，具备传感器校正、显示姿态、测试电机、查看电量、设置参数等功能，主界面如图3。

图3 上位机界面

下位机

下位机为飞行器上 MCU 里的程序，主要有三个任务：计算姿态、接受命令和输出控制。下位机直接控制电机功率，飞行器的安全性、稳定性、可操纵性都取决于它。

飞行原理

坐标系统

飞行器涉及两个空间直角坐标系统：地理坐标系和机体坐标系。地理坐标系是固连在地面的坐标系，机体坐标系是固连在飞行器上的坐标系。地理坐标系采用“东北天坐标系”，X 轴指向东，为方便罗盘的使用，Y 轴指向地磁北，Z 轴指向天顶。机体坐标系原点在飞行器中心，xy 平面为电机所在平面，电机分布在{|x|=|y|,z=0}的直线上，第一象限的电机带正桨，z 轴指向飞行器上方。

图四 地理坐标系和机体坐标系图示

姿态的表示和运算

飞行器的姿态，是指飞行器的指向，一般用三个姿态角表示，包括偏航角(yaw)、俯仰角(pitch)和滚转角(roll)。更深一层，姿态其实是一个旋转变换，表示机体坐标系与地理坐标系的旋转关系，这里定义姿态为机体坐标系向地理坐标系的转换。旋转变换有多种表示方式，包括变换矩阵、姿态角、转轴转角、四元数等。

动力学原理

螺旋桨旋转时，把空气对螺旋桨的压力在轴向和侧向两个方向分解，得到两种力学效应：推力和转矩。当四轴飞行器悬停时，合外力为 0，螺旋桨的推力用于抵消重力，转矩则由成对的正桨反桨抵消。当飞行器运动时，因为推力只能沿轴向，所以只能通过倾斜姿态来提供水平的动力，控制运动由控制姿态来间接实现。

四轴飞行器的主要工作原理如上所述，由于姿态测量与控制在此不做展开。