一．四軸飛行器的結構

四軸飛行器屬於一種多旋翼飛行裝置，有四個輪子來保持懸浮和推進飛行，簡稱四軸或四旋翼。四軸飛行器的四個旋翼具有相同的大小，位置分佈對稱，成十字形交叉狀。四軸飛行器搭載的飛行控制裝置通過調整不同旋翼之間的相對速度達到控制飛行器穩定飛行，旋轉或轉彎的目的。

四軸飛行器由四個高速電機（M1,M2,M3,M4）帶動兩對正反槳提供飛行動力。四個電機前後，左右對稱分佈在機體四個頂點上，四個螺旋槳處於同一平面，且四個螺旋槳的尺寸相同。對角線上的兩個電機分為一組，每組電機旋轉方向相同，而兩組電機的旋轉方向相反，分別安裝正槳和反槳，由此可以抵消反扭力矩。

根據四軸飛行器飛行過程中定義的機頭方向不同，可分為

二．四軸飛行器的各個重要部件

四軸飛行器主要由四個電機（M1,M2,M3,M4）,兩對正反槳，四個電子調速器（ESC），主控板和通訊模組組成。主控板中包含陀螺儀，加速度感測器，氣壓計，磁感測器等各種用於飛行控制的感測器。電源一般選擇高倍率鋰電池，懸掛於中下部。

（一）電機

  四軸飛行器採用的是XXD A1510 KV2200電機。

該電機是無刷直流電機。它沒有電刷，因此幾乎不需要維護。無刷直流電機不會產生電火花和電磁干擾。可以在危險的操作環境中使用。此外，無刷直流電機的線圈被連線到定子上，具有良好的重量

在搭建四軸飛行器時需要考慮兩方面的因素。一方面是無刷電機的機械結構，包括外形尺寸，外徑，長度，軸徑，重量等；另一方面是無刷電機的電氣指標，如電壓範圍，空載電流，最大電流等。

在衡量無刷電機電氣特性時還有一個重要的電氣指標，就是KV值。KV值的物理學意義是沒增加1V電壓時增加的轉速，單位是rmp/V,用於衡量電機轉速對電壓的敏感度。例如KV1800的電機，在電壓每增加1V時，電機每分鐘轉速提高1800轉。

（二）槳

四翼飛行器為了抵消由於槳旋轉而產生的扭矩，相鄰兩個的槳的旋轉方向是反向的，因此這就需要正反槳。正反槳的動力都向下，在滿足動力的情況下，順時針旋轉的叫正槳，逆時針旋轉的叫反槳。

用於四軸飛行器的主要有三葉槳和兩葉槳。從尺寸上來說，常見的是大兩葉槳和小三葉槳。

電機與槳的匹配是最基本又相對複雜的問題。我們可以通過一些經驗值，以及通過測量效率，來確定電機和槳的搭配。通常情況下：
槳的尺寸越大，升力就越大。

槳的轉速越大，升力就越大。

電機的KV越小，轉速就越低，但電機轉動力量就相對越大。

電機的KV越大，轉速就越高，但電機轉動力量就相對越小。

根據上的基本理論，我們可以得到一下結論：
大尺寸槳需要配低KV電機；小尺寸槳就需要配高KV電機。這是因為需要用更高的轉速來彌補因為槳尺寸小而導致的升力不足。

在實際情況中，如果使用高KV的電機配大槳，因為電機轉動力量的不夠，那麼動力輸出就很困難，實際上電機還是被迫保持低速運轉，而長時間運轉下電機和電調都很容易被燒燬。而如果低KV的電機配小槳，雖然可以正常執行，但是由於轉速太低，槳無法提供足夠的升力，因此四軸飛行器根本無法起飛。

基於以上考慮，我們的四軸飛行器採用5045三葉正反槳。

（三）電子調速器

電子調速器簡稱電調，英文是electronic speed controller,簡稱ESC。電調最基本的功能就是接受飛控板的控制訊號，通過改變控制訊號的頻率，從而改變電流的大小，以達到控制電機轉速的目的。在控制不同型別的電機時，電調可分為兩種。控制有刷電機的為有刷電調，控制無刷電機的為無刷電調。

無刷電機在正常工作時電流是很大的，平均有幾安培，而在急速拉昇的情況下，可以達到幾十安培。而飛控板本身並沒有直接驅動無刷電機的能力，它無法承受這樣大的電流。因此飛控板只能通過電調來間接地控制無刷電機。

在實際的測試中，XXD A1510 KV2200的無刷電機配5045槳，最大電機電流有可能達到7.2A。為了控制的安全與穩定，建議使用10A電調。因此我們選用好盈FLYFUN飛騰10A無刷電調。

（四）機架

四軸飛行器在選擇機架時的基本原則是重量輕，強度大。這也是很多飛行器在考慮機身材料時的首要因素。目前常見的四軸機架多采用的是鋁合金，碳纖維，波纖維等。我們的四軸飛行器採用的是X240玻纖維機架。

還有一些Mini四軸直接將各種元器件整合在了一張PCB板上。為了方便設計和安裝，通常玻纖維，鋁合金，碳纖維材料搭配使用。當然採用整體的碳纖維設計是比較理想的。但是成本也比較高。

在設計機架時，首先自身要儘量保持對稱，保證重心的位置。其次才能保證後續電氣元件安裝的順利進行。機架的重心應該調整至與各旋翼產生相同大小的拉力時“合力”點上。這樣，四軸飛行器在懸停時電機就能保持相同的拉力，從而轉速也相差不多。

如果重心偏差了合力點，四軸飛行器懸停時飛控就需要改變四個電機的差速，從而改變電機拉力的大小，由此來平衡由於合力點相對重心的偏移而產生的扭矩。偏移距離越大，需要調節的速度差越大。而四旋翼飛控正是通過轉速差來修正姿態的。因此懸停時若存在速度差，會導致姿態修正能力下降（因為拉力組合變化範圍變小了）。

因此，在設計機架時，首先要找到其合力點，最後通過調整裝置安裝位置將重心調整到這個點。

（五）電源

四軸飛行器使用的是鋰電池與我們日常生活中膝上型電腦，手機使用的鋰電池是不同的。日常生活中的一些常見的鋰電池大多為常規鋰電池，而四軸飛行器使用的是高倍率鋰電池。

高倍率鋰電池和常規鋰電池的主要區別在於放電能力上。放電倍率是衡量高倍率電池的重要指標。電池的放電倍率是指電池在規定的時間內放出其額定容量時所需要的電流值，它在數值上等於電池額定容量的倍數，通常以字母C表示。

例如，一塊電池的標稱額定容量為800mAh,那麼該電池1C（1倍率）就為800mAh,400mAh則為0.5C，8A（8000mAh）則為10C。如果這塊電池的放電倍率為10C，那麼這塊電池的最大放電電流為8A。

單節鋰電池的標稱電壓為3.7V。通常鋰電池充滿點約為4.7V，而放完電約為3.0V。另外電池容量也是有一定設計限度的。所以，通常將單節鋰電池進行串聯，並聯處理，來滿足不同場合的需求。單節鋰電池稱為1S，兩節鋰電池串聯為2S，電壓為7.4V。

通常半徑為240mm的四軸飛行器可以採用1300mAh,20C的鋰電池。

（六）主控板（飛板）

飛控是四軸飛行器的控制核心，猶如人的大腦。它用來保持四軸飛行器的飛行穩定。發出指令改變四軸飛行器的飛行姿態，其效能的優劣直接決定了四軸飛行器的效能。常見的飛控有KK,KK FLYCAM,NAZA-M,MWC,APM,FF,零度等等，其中大部分是開源專案。隨著電子硬體的快速發展，目前對飛控的研究主要集中在軟體演算法上。

本四軸飛信器的飛控是基於ARDUINO PRO MINI,採用MWC開源韌體的MULTIWII STANDAD EDITION.

MULTIWII STANDAD EDITION.

1，採用ATMega328p微控制器。

2，集成了MPU6050數字三軸陀螺與三軸加速度感測器，BMP085數字氣壓感測器，HMC5883L三軸數字磁阻感測器

3，分離的雙路電源穩壓器，3.3V/5V的最大電流為150mA/500mA

4，雙路電源指示LED,3.3V/5V的顏色為紅色/綠色

5，高亮度狀態指示藍色LED

6，專用I2C電平轉換IC

7，FTDI介面帶保護二極體及500mA限流保險絲

在主控板的控制下，陀螺儀，加速度感測器，大氣壓感測器，磁感測器在四軸飛行器中的作用和使用上的注意事項如下。

1，陀螺儀輸出的是角速度，如果計算角度就需要對角速度進行時間積分，這樣我們就可以知道四軸飛行器在某一段時間內的角度變化。由於陀螺儀的測量基準是其自身，沒有系統外的絕對參照物，而積分時間又不可能無限小，所以積分的累計誤差會隨時間流逝而增加，最終將導致輸出角度與實際不符。所以陀螺儀只能工作在相對較短的時間內。

2，加速度測量的是重力方向。在無外力加速度的情況下，能準確輸出四軸飛行器ROLL/PICH兩軸姿態角度。但是加速度感測器實際上是MEMS技術檢測慣性力造成的微小形變，而慣性力與重力本質是一樣的，所以它就不會區分重力加速度與外力加速度。因此當四軸飛行器在三維空間做變速運動時，它的輸出就不正確了。

結合陀螺儀和加速度感測器各自的優缺點，只要給陀螺儀加上加速度感測器提供的絕對的水平和航向參考，就能準確反映四軸飛行器的姿態變化。

3，大氣壓感測器用來測量四軸飛行器的飛行高度的，作用是讓四軸飛行器能夠實現定高飛行。當測量海拔高度時，傳統的測量方法是通過測量某一高度的大氣壓力，再經過數學計算得到海拔高度。

4，磁場感測器是給四軸飛行器提供一個方向的基準。四軸飛行器在設計上依靠調節四個電機的轉速來抵消扭矩，這就需要利用地球南北極磁場提供一個方向上的基準。如果不使用磁場感測器，四軸飛行器在懸停時，會繞自身的垂直軸旋轉，無法保持機頭的鎖定。

（七）遙控通訊

對四翼飛行器的控制離不開無線通訊。我們可以利用無線電波向空中的四軸飛行器傳送動作指令訊號，四軸飛行器就能夠根據指令訊號做出各種飛行姿態，同時，無線通訊不僅限於對四軸飛行器的姿態控制。飛行器上搭載的各種感測器採集到的資料也可以實時地通過無線傳輸發回給我們，從而實現資料監察，資訊收集，測量測繪等目的。

本四軸飛行器採用的是7通道“天地飛WFT07”比例遙控裝置。它具有兩根分別控制1，2通道和3，4通道的操縱桿，主要用來控制飛行器的執行姿態，在控制端上方，設定有4個通道開關K1,K2,K3,K4。K1，K2混合控制5通道，K3,K4分別對應遙控器的6，7通道，主要用來設定四軸飛行器的一些飛航模式。

三．四軸飛行器的飛行原理

為方便四軸飛行器的簡化分析，我們主要以“X”模式為物件進行研究。電機M1,M3為一組與另一組M2,M4的轉向相反，因此可以抵消機身產生的反扭力矩，並且都產生向下的推力。

（1）上升，下降，懸停

當M1,M2,M3,M4產生的上升力F大於飛行器重力mg時，四軸飛行器上升。如果上升到一定高度後減小四個電機的轉速，當F等於mg時，飛機懸停。如果繼續減小四個電機的轉速，當F小於mg時，四軸飛行器下降。

（2）俯仰，橫滾

其中一條對角線上的一組電機轉速保持相同，如果另一組電機中，一個轉速增大，一個轉速減小，那麼飛行器就會向速度減小的一側運動，即產生俯仰，橫滾的姿態。

（3）偏航

當其中一組電機轉速與另一組電機轉速不同時。飛行器自身無法抵消反扭力矩，飛行器會繞中心旋轉，產生偏航姿態。