旋翼和輪子一樣，是一項(xiàng)神奇的發(fā)明，直到噴氣式飛機(jī)發(fā)明之前，旋翼一直支撐著人類的飛天夢。時至今日，很多飛機(jī)還在沿用旋翼設(shè)計。四旋翼無人機(jī)更是化作了植保無人機(jī)，滿足了許多人們對農(nóng)田全程機(jī)械化的想象。

旋翼的基本理論，玩過竹蜻蜓的朋友應(yīng)該都知道：當(dāng)手的搓動給了竹蜻蜓一個旋轉(zhuǎn)的速度后就會產(chǎn)生升力，讓竹蜻蜓起飛。

同理，多旋翼無人機(jī)也是由電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，使螺旋槳產(chǎn)生升力而飛起來的。比如四旋翼無人機(jī)，當(dāng)飛機(jī)四個螺旋槳的升力之和等于飛機(jī)總重量時，飛機(jī)的升力與重力相平衡，飛機(jī)就可以懸停在空中了。

結(jié)構(gòu)形式

旋翼對稱分布在機(jī)體的前后、左右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，四個電機(jī)對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計算機(jī)和外部設(shè)備。結(jié)構(gòu)形式如圖所示。

工作原理

四旋翼飛行器通過調(diào)節(jié)四個電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機(jī)，但只有四個輸入力，同時卻有六個狀態(tài)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)。

四旋翼飛行器的電機(jī)1和電機(jī)3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機(jī)2和電機(jī)4順時針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時，陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消。

在上圖中，電機(jī)1和電機(jī)3作逆時針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)2和電機(jī)4作順時針旋轉(zhuǎn)，規(guī)定沿 x軸正方向運(yùn)動稱為向前運(yùn)動，箭頭在旋翼的運(yùn)動平面上方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，在下方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。

（1）垂直運(yùn)動：同時增加四個電機(jī)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(jī)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(jī)的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實(shí)現(xiàn)了沿z軸的垂直運(yùn)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)。

（2）俯仰運(yùn)動：在圖（b）中，電機(jī) 1的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速下降（改變量大小應(yīng)相等），電機(jī)2、電機(jī)4的轉(zhuǎn)速保持不變。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(jī)身繞y軸旋轉(zhuǎn)，同理，當(dāng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升，機(jī)身便繞y軸向另一個方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動。

（3）滾轉(zhuǎn)運(yùn)動：與圖b的原理相同，在圖c中，改變電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機(jī)身繞 x 軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實(shí)現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動。

（4）偏航運(yùn)動：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(jī)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(jī)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(jī) 1和電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速下降時，旋翼 1和旋翼3對機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動，轉(zhuǎn)向與電機(jī)1、電機(jī)3的轉(zhuǎn)向相反。

（5）前后運(yùn)動：要想實(shí)現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運(yùn)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(jī)3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機(jī)1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時保持其它兩個電機(jī)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(shí)現(xiàn)飛行器的前飛運(yùn)動。向后飛行與向前飛行正好相反。（在圖b圖c中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運(yùn)動的同時也會產(chǎn)生沿 x、y軸的水平運(yùn)動。）

（6）傾向運(yùn)動：在圖f中，由于結(jié)構(gòu)對稱，所以傾向飛行的工作原理與前后運(yùn)動完全一樣。