四旋翼無人機是如何實現飛行的？原理是什麼？

四旋翼無人機曾被《時代》雜誌評為

2014年度十大科技產品之一

，具有造型小巧，可自由懸停、垂直起降，機身易操控以及適用於多種環境等優點，被廣泛運用於日常生活中。

在人工智慧教育高速發展的環境下，可程式設計的四旋翼無人機更是受到許多中小學生的追捧。下面，我們一起來了解一下四旋翼無人機是如何實現飛行的吧！

四旋翼無人機飛行原理及控制方法

一般情況下，四旋翼無人機由檢測模組、控制模組、驅動模組以及電源模組四個部分組成。

檢測模組：

負責對無人機當前姿態進行量測，並對控制模組提供資料；

控制模組：

負責對無人機當前姿態進行解算，最佳化控制，並對驅動模組產生相對應的控制量；

驅動模組：

負責驅動無人機進行飛行；

電源模組：

負責對整個系統進行供電。

四旋翼無人機機身主要是由對稱的十字形剛體結構構成，材料多采用碳纖維、玻璃纖維以及樹脂等複合材料。而

Drone:bit程式設計無人機

機身則是採用了金屬材料，具有結實耐用的特點。

Drone：bit

如下圖所示，現將位於四旋翼機身同一對角線上的兩個旋翼歸為一組。

前後端（4、2號）的旋翼沿順時針方向旋轉，從而可以產生順時針方向的扭矩；而左右端（1、3號）的旋翼則沿逆時針方向旋轉，從而產生逆時針方向的扭矩。

如此，四個旋翼旋轉所產生的扭矩便可相互抵消。

由此可知，四旋翼無人機的所有姿態和位置的控制都是

透過調節四個驅動電機的速度

實現的。

一般來說，四旋翼無人機的運動狀態主要分為懸停、垂直運動、翻滾運動、俯仰運動以及偏航運動五種狀態。

懸停

在懸停狀態下，由於無人機的四個旋翼具有相同的轉速，產生的上升合力正好與自身重力相等；並且因為旋翼轉速大小相同、前後端和左右端轉速方向相反，從而使得無人機總扭矩為零，得以靜止在空中，實現懸停狀態。

旋翼總升力=無人機重力，懸停

垂直運動

在保證四旋翼無人機每個旋翼轉速大小相同、前後端和左右端轉速方向相反的情況下，同時對每個旋翼增加/減小大小相同的轉速，便可實現無人機的垂直運動。

旋翼總升力>無人機重力，垂直上升；

旋翼總升力<無人機重力，垂直下降。

翻滾運動

翻滾運動是在保持四旋翼無人機前後端旋翼轉速不變的情況下，透過改變左右端的旋翼轉速，使得左右旋翼之間形成一定的升力差，從而使得沿無人機機體左右對稱軸上產生一定力矩，導致在方向上產生角加速度實現控制。

如圖所示，增加旋翼1的轉速，減小旋翼3的轉速，則無人機傾斜於右側飛行；反之，則向左傾斜。

俯仰運動

與翻滾運動相似，在保持四旋翼無人機左右端旋翼轉速不變的情況下，透過改變前後端的旋翼轉速，形成前後旋翼升力差，從而在機體前後對稱軸上形成一定力矩，引起角方向上的角加速度實現控制。

如圖所示，增加旋翼2的轉速，減小旋翼4的轉速，則無人機向前傾斜飛行；反之，則向後傾斜。

偏航運動

四旋翼無人機的偏航運動是透過

同時兩兩控制四個旋翼轉速

實現控制的。

保持前後端或左右端旋翼轉速相同時，其便不會發生俯仰或翻滾運動；而當每組內的兩個旋翼與另一組旋翼轉速不同時，由於兩組旋翼旋轉方向不同，就會導致反扭矩力的不平衡，此時便會產生繞機身中心軸的反作用力，引起沿角角加速度。

如圖所示，當前後端旋翼的轉速相同並大於左右端旋翼轉速時，因為前者沿順時針方向旋轉，後者相反，總的反扭矩沿逆時針方向，反作用力作用在機身中心軸上沿逆時針方向，引起逆時針偏航運動；反之，則會引起順時針偏航運動。

綜上所述，四旋翼無人機各個飛行狀態的控制是

透過控制對稱的四個旋翼的轉速，形成相應不同的運動組合

實現的。

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