近日，自己組裝了一臺 四軸飛行器；
組裝完後，便想深究其原理；避免只是 知其然，卻不知其所以然；
查閱資料後，便在其他文章的基礎上，將此文 歸納整理 出來；
文章末尾有參考文章列表，同時感謝原作者的創作；

先上一張自己組裝的 四軸飛行器 (￣▽￣)／：

一、四軸飛行器的基本組成

遙控器：向飛控發出訊號；四軸飛行器的遙控器至少需要 4 個通道，分別用於：油門、旋轉、前後飛、左右飛；
圖為 FS-i6 遙控器：

飛控：是飛行器的大腦，保持自身穩定飛行；接收遙控器訊號，並將訊號傳輸給電調告訴它如何飛行；
圖為 APM 飛控：

電調：將飛控的控制訊號，轉變為電流的大小，以控制電機的轉速；
圖為 好盈電調

電機：轉；
圖為 2212無刷電機：

機架：用於承載上述物品；
圖為 F450機架：

其實還有其他元件比如：正反槳葉、電池、GPS、夜航燈 和 防撞圈 等其他物品，因為其不是核心物品，所以這裡便不再一一細說；

二、四軸飛行器飛行原理

事實上，四軸飛行器還分兩種佈局，一種是 十字形佈局，另外一種則是較為常見的 X型佈局 ；

由於 X型佈局 的應用更為廣泛，這裡我們就重點講解 X型佈局 的飛行原理；

以這張圖為例：

箭頭所指為機頭時，電機1 和 電機2 逆時針旋轉的同時，電機3和 電機4 順時針旋轉，因此當飛行器平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消；

與傳統的直升機相比，四軸飛行器有下列優勢

各個旋翼對機身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉方向相反，因此當 電機1 和 電機2 逆時針旋轉的同時，電機3 和 電機4 順時針旋轉，可以平衡旋翼對機身的反扭矩；四旋翼飛行器在空間共有6個自由度（分別沿3個座標軸作平移和旋轉動作），這6個自由度的控制都可以通過調節不同電機的轉速來實現；

其基本運動狀態分別為：

1. 垂直運動；
2. 俯仰運動；
3. 滾轉運動；
4. 偏航運動；
5. 前後運動；
6. 側向運動；

那麼在控制飛行器飛行時，有如下技術難點：

首先，在飛行過程中它不僅受到各種物理效應的作用，還很容易受到氣流等外部環境的干擾，很難獲得其準確的效能引數；

其次，微型四軸無人飛行器是一個具有六個自由度，而只有四個控制輸入的欠驅動系統；它具有多變數、非線性、強耦合和干擾敏感的特性，使得飛行控制系統的設計變得非常困難；

再次，利用陀螺進行物體姿態檢測需要進行累計誤差的消除，怎樣建立誤差模型和通過組合導航修正累積誤差是一個工程難題；這三個問題解決成功與否，是實現微型四旋翼無人飛行器自主飛行控制的關鍵，具有非常重要的研究價值；

下面將逐個說明飛行器的各種飛行姿態：

垂直運動：
在圖 a 中，因有兩對電機轉向相反，可以平衡其對機身的反扭矩，當同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉速增加使得總的拉力增大，當總拉力足以克服整機的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升；

反之，同時減小四個電機的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實現了沿 z 軸的垂直運動；

當外界擾動量為零時，在旋翼產生的升力等於飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態；

保證四個旋翼轉速同步增加或減小是垂直運動的關鍵；

俯仰運動：
在圖 b 中，電機1的轉速上升，電機3的轉速下降，電機2、電機4的轉速保持不變；

為了不因為旋翼轉速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變，旋翼1 與 旋翼3 轉速該變數的大小應相等；

由於 旋翼1 的升力上升，旋翼3 的升力下降，產生的不平衡力矩使機身繞 y 軸旋轉（方向如圖所示），同理，當 電機1 的轉速下降，電機3 的轉速上升，機身便繞 y 軸向另一個方向旋轉，實現飛行器的俯仰運動；

滾轉運動：
與圖 b 的原理相同，在圖 c 中，改變 電機2 和 電機4 的轉速，保持 電機1 和 電機3 的轉速不變，則可使機身繞 x 軸旋轉（正向和反向），實現飛行器的滾轉運動；

偏航運動：
四旋翼飛行器偏航運動可以藉助旋翼產生的反扭矩來實現；

旋翼轉動過程中由於空氣阻力作用會形成與轉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，兩個反轉，且對角線上的來年各個旋翼轉動方向相同；

反扭矩的大小與旋翼轉速有關，當四個電機轉速相同時，四個旋翼產生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發生轉動；

當四個電機轉速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉動；

在圖 d 中，當 電機1 和 電機3 的轉速上升，電機2 和 電機4 的轉速下降時，旋翼1 和 旋翼3 對機身的反扭矩大於 旋翼2 和 旋翼4 對機身的反扭矩，機身便在富餘反扭矩的作用下繞z軸轉動，實現飛行器的偏航運動，轉向與 電機1、電機3 的轉向相反；

前後運動：
要想實現飛行器在水平面內前後、左右的運動，必須在水平面內對飛行器施加一定的力；

在圖 e 中，增加 電機3 轉速，使拉力增大，相應減小 電機1 轉速，使拉力減小，同時保持其它兩個電機轉速不變，反扭矩仍然要保持平衡；

按圖 b 的理論，飛行器首先發生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產生水平分量，因此可以實現飛行器的前飛運動，向後飛行與向前飛行正好相反；

當然在圖 b 圖 c 中，飛行器在產生俯仰、翻滾運動的同時也會產生沿 x、y 軸的水平運動；

側向運動：
在圖 f 中，由於結構對稱，所以側向飛行的工作原理與前後運動完全一樣；