目前應(yīng)用廣泛的飛行器有：固定翼飛行器和單軸的直升機。與固定翼飛行器相比，四軸飛行器機動性好，動作靈活，可以垂直起飛降落和懸停，缺點是續(xù)航時間短得多、飛行速度不快;而與單軸直升機比，四軸飛行器的機械簡單，無需尾槳抵消反力矩，成本低 。

就小型電動四軸飛行器，簡要介紹飛行器所涉及到的原理。

硬件構(gòu)成

飛行器由機架、電機、螺旋槳和控制電路構(gòu)成。

圖1 四軸飛行器整機

電氣構(gòu)成

電氣部分包括：控制電路板、電子調(diào)速器、電池，和一些外接的通訊、傳感器模塊?？刂齐娐钒迨请姎獠糠值暮诵模厦姘?MCU、陀螺儀、加速度計、電子羅盤、氣壓計等芯片，負(fù)責(zé)計算姿態(tài)、處理通信命令和輸出控制信號到電子調(diào)速器。電子調(diào)速器簡稱電調(diào)，用于控制無刷直流電機。電氣連接如圖 2所示。

圖2 電氣連接圖

軟件構(gòu)成

上位機

上位機是針對飛行器的需要，在 Qt SDK 上寫的一個桌面程序，可以通過串口與飛行器相連，具備傳感器校正、顯示姿態(tài)、測試電機、查看電量、設(shè)置參數(shù)等功能，主界面如圖3。

圖3 上位機界面

下位機

下位機為飛行器上 MCU 里的程序，主要有三個任務(wù)：計算姿態(tài)、接受命令和輸出控制。下位機直接控制電機功率，飛行器的安全性、穩(wěn)定性、可操縱性都取決于它。

飛行原理

坐標(biāo)系統(tǒng)

飛行器涉及兩個空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)：地理坐標(biāo)系和機體坐標(biāo)系。地理坐標(biāo)系是固連在地面的坐標(biāo)系，機體坐標(biāo)系是固連在飛行器上的坐標(biāo)系。地理坐標(biāo)系采用“東北天坐標(biāo)系”，X 軸指向東，為方便羅盤的使用，Y 軸指向地磁北，Z 軸指向天頂。機體坐標(biāo)系原點在飛行器中心，xy 平面為電機所在平面，電機分布在{|x|=|y|,z=0}的直線上，第一象限的電機帶正槳，z 軸指向飛行器上方。

圖四 地理坐標(biāo)系和機體坐標(biāo)系圖示

姿態(tài)的表示和運算

飛行器的姿態(tài)，是指飛行器的指向，一般用三個姿態(tài)角表示，包括偏航角(yaw)、俯仰角(pitch)和滾轉(zhuǎn)角(roll)。更深一層，姿態(tài)其實是一個旋轉(zhuǎn)變換，表示機體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系，這里定義姿態(tài)為機體坐標(biāo)系向地理坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。旋轉(zhuǎn)變換有多種表示方式，包括變換矩陣、姿態(tài)角、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角、四元數(shù)等。

動力學(xué)原理

螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，把空氣對螺旋槳的壓力在軸向和側(cè)向兩個方向分解，得到兩種力學(xué)效應(yīng)：推力和轉(zhuǎn)矩。當(dāng)四軸飛行器懸停時，合外力為 0，螺旋槳的推力用于抵消重力，轉(zhuǎn)矩則由成對的正槳反槳抵消。當(dāng)飛行器運動時，因為推力只能沿軸向，所以只能通過傾斜姿態(tài)來提供水平的動力，控制運動由控制姿態(tài)來間接實現(xiàn)。

四軸飛行器的主要工作原理如上所述，由于姿態(tài)測量與控制在此不做展開。