四旋翼飛行器采用四個(gè)旋翼作為飛行的直接動力源，旋翼對稱分布在機(jī)體的前后、左右四個(gè)方向，四個(gè)旋翼處于同一高度平面，且四個(gè)旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，旋翼1 和旋翼3 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋翼2 和旋翼4 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，四個(gè)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(jì)算機(jī)和外部設(shè)備。四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式如圖 1.1所示。
四軸主要硬件組成：
架子
電池
四個(gè)電機(jī)+螺旋槳+電機(jī)驅(qū)動
飛控板（姿態(tài)測量傳感器+無線遙控模塊+其他）
【電池】
四軸電池示意圖
為什么要選鋰電池？
同樣電池容量鋰電最輕，起飛效率最高。
電池的多少 mah時(shí)什么意思？
表示電池容量， 如 1000mah電池， 如果以 1000ma 放電， 可持續(xù)放電 1小時(shí)。 如果以 500mh放電，可以持續(xù)放電 2 小時(shí)。
電池后面的 2s，3s，4s什么意思？
代 表鋰電池的節(jié)數(shù)，鋰電池 1 節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電壓為 3.7v，那么 2s電池，就是代表有 2 個(gè) 3.7v電池在里面，電壓為 7.4v。
電池后面多少 c 是什么意思？
代表電池放電能力，這是普通鋰電池和動力鋰電池最重要區(qū)別，動力鋰電池需要很大電流放電， 這個(gè)放電能力就是 C 來表示的。 如 1000mah電池 標(biāo)準(zhǔn)為 5c， 那么用 5x1000mah，得出電池可以以 5000mh 的電流強(qiáng)度放電。這很重要，如果用低 c 的電池，大電流放電，電池會迅速損壞，甚至自燃。
【電機(jī)（motor）】俗稱馬達(dá)，是飛行器的重要組成部分，為四飛行器的飛行提供動力
【螺旋槳】
碳纖維材料螺旋槳
木質(zhì)材料螺旋槳
首先要說明的是螺旋槳工作時(shí)一定要與它要保持一定的距離，不要讓它傷到你。
螺旋槳有兩個(gè)十分重要的指標(biāo)：直徑和幾何螺距。幾乎所有的螺旋槳在售出的時(shí)候都會在其包裝上注明例如 8×4.5 這樣的字樣，第一個(gè)數(shù)字 8 代表了它的直徑，第二個(gè)數(shù)字4.5代表了它的幾何螺距，二者單位均為英寸。此處直徑的定義為葉片的直徑大小，而它決定了在標(biāo)準(zhǔn)流體實(shí)驗(yàn)條件下，螺旋槳在槳旋一周形成的圓形區(qū)域內(nèi)切割空氣量的大小， 但是它只能決定產(chǎn)生飛行拉力的大小和扭矩的大小，并不能影響飛行的速度。
螺旋槳螺距示意圖
幾何螺距這個(gè)參數(shù)就可以代表飛行的速度，它定義了在標(biāo)準(zhǔn)流體實(shí)驗(yàn)條件下，槳旋一周帶動飛行器行進(jìn)的距離。其實(shí)飛行器的槳旋行進(jìn)軌跡和螺絲的釘頭螺紋是一樣的，我們不妨這樣類比一下。當(dāng)螺紋的密集程度越大時(shí)，將螺絲旋轉(zhuǎn)一周擰進(jìn)物體的深度越淺，但是密實(shí)程度越強(qiáng)；而螺紋密集程度越小時(shí)，將螺絲旋轉(zhuǎn)一周擰進(jìn)物體的深度越深，密實(shí)程度反而越弱。螺絲的密集程度在模型參數(shù)上其實(shí)可以類比為幾何螺距尺寸，而密實(shí)程度可以類比為扭力大小。當(dāng)然，由于模型在戶外飛行時(shí)并不能保證戶外空氣的標(biāo)準(zhǔn)流體模型，但是這種分析方法同樣會對我們選擇螺旋槳提供一個(gè)很好的參考。幾何螺距越大， 飛行速度越快， 但需要更長的時(shí)間來加速， 所以加速上升能力就比較差。就像一輛手動擋汽車，假設(shè)你在五檔行駛，速度肯定比一擋要快很多，但是五檔是沒有辦法爬坡的，因?yàn)樗ちΣ粔?，航模也是一樣，只不過它的扭力取決于幾何螺距，也就是槳的尺寸。低螺距的螺旋槳正好相反，速度可能沒有前者快，但是它的加速能力較強(qiáng)，攀爬能力較強(qiáng)，控制性較好，這和我們通常開車坡道起步采用低擋位是一個(gè)原理。于是有人就會問，有沒有一種方法就像汽車能夠換擋一樣，讓飛行器在飛行的時(shí)候能夠改變槳的尺寸，適應(yīng)不同情況的需求呢？答案是肯定的，有種可變螺距的螺旋槳能夠在飛行的時(shí)候改變飛行姿態(tài)，滿足不同條件，但是這種螺旋槳一般是用在直升機(jī)上的，多旋翼飛器涉及的不多。
什么是正反槳，為什么需要它？
四軸飛行為了抵消螺旋槳的自旋，相隔的槳旋轉(zhuǎn)方向是不一樣的，所以需要正反槳。正反槳的風(fēng)都向下吹。適合順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的叫正漿、適合逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的是反漿。安裝的時(shí)候，一定記得無論正反槳，有字的一面是向上的（槳葉圓潤的一面要和電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向一致）。
【飛控板】
飛控板示意圖
飛行控制器（飛控）是飛行器的大腦，飛控板上配置有中央處理器、姿態(tài)測量傳感器、無線接收器等器件，飛控板完成自身穩(wěn)定的飛行，并且它還要從接收器接受信號，并把信號傳輸給電調(diào)告訴它如何飛行，其中最困難的在于如何保持飛行器飛行的穩(wěn)定性。為了保持穩(wěn)定性，飛控板就需要各種各樣的傳感器完成自身的姿態(tài)解算并控制四個(gè)電機(jī)的輸出動力，使自身保持穩(wěn)定。
我想對四軸感興趣的朋友們，一定想過四軸飛行的原理，為什么四軸可以穩(wěn)定的飛起來呢？外行看熱鬧，內(nèi)行看門道，對于四軸可以懸停在空中溫度的飛行，不懂內(nèi)在原理的人有這樣一個(gè)誤區(qū)，就是只要四軸的四個(gè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)的速度一致就可以讓四軸平穩(wěn)的飛起來了，在這里我非常負(fù)責(zé)任的告訴大家這是不可能的，為什么呢？首先四軸飛行器的重心無法保證剛好在四個(gè)螺旋槳的正中心，其次如果有風(fēng)的干擾等情況都會造成四軸飛行時(shí)的不穩(wěn)定。所以千萬不要天真的以為四軸只要四個(gè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)速度一致就可以讓四軸飛起來了，要不然還學(xué)自動控制技術(shù)干什么用啊，自動控制原理是一門很有用也是很深?yuàn)W的學(xué)問。
典型的傳統(tǒng)直升機(jī)配備有一個(gè)主轉(zhuǎn)子和一個(gè)尾漿。他們是通過控制舵機(jī)來改變螺旋槳的槳距角，從而控制直升機(jī)的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器與此不同，是通過調(diào)節(jié)四個(gè)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。由于飛行器是通過改變旋翼轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)升力變化，這樣會導(dǎo)致其動力不穩(wěn)定，所以需要一種能夠長期確保穩(wěn)定的控制方法。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直起降機(jī)，因此非常適合靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下飛行。但是四旋翼飛行器只有四個(gè)輸入力，同時(shí)卻有六個(gè)狀態(tài)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)。
四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式如圖1.1所示，電機(jī)1 和電機(jī)3 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2 和電機(jī)4 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí)，陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消。與傳統(tǒng)的直升機(jī)相比，四旋翼飛行器有下列優(yōu)勢：各個(gè)旋翼對機(jī)身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉(zhuǎn)方向相反，因此當(dāng)電機(jī)1 和電機(jī)3 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2 和電機(jī)4 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可以平衡旋翼對機(jī)身的反扭矩。
與直升機(jī)相比，四軸飛行器可以實(shí)現(xiàn)的飛行姿態(tài)較少，不過基本的前進(jìn)、后退、平移等狀態(tài)都可以實(shí)現(xiàn)。但是四軸飛行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比直升機(jī)簡單，維修和更換的開銷也非常小，這讓四軸飛行器有了比直升機(jī)更大的應(yīng)用優(yōu)勢。
為了保持飛行器的穩(wěn)定飛行，在四軸飛行器上裝有3個(gè)方向的陀螺儀和3 軸加速度傳感器組成慣性導(dǎo)航模塊，可以計(jì)算出飛行器此時(shí)相對地面的姿態(tài)以及加速度、角速度，飛行控制器通過算法計(jì)算保持運(yùn)動狀態(tài)時(shí)所需的旋轉(zhuǎn)力和升力，通過電子調(diào)控器來保證電機(jī)輸出合適的力。
如果四軸上裝有氣壓計(jì)模塊、電子指南針模塊、GPS模塊、攝像頭，還可以擁有更多的功能，比如定高，定位，拍攝功能等等。
四軸的兩種飛行模式：
四軸六種飛行姿態(tài)（＋模式）：
＋模式和 x 模式雖然控制算法不完全一樣，但是根本原理是一樣的，只要明白一種另一種也就明白了。
垂直運(yùn)動
俯仰運(yùn)動
翻滾運(yùn)行
偏航運(yùn)動
前后運(yùn)動
側(cè)向運(yùn)動
（1）垂直運(yùn)動：垂直運(yùn)動相對來說比較容易。在圖中，因有兩對電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對機(jī)身的反扭矩，當(dāng)同時(shí)增加四個(gè)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(shí)，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時(shí)減小四個(gè)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(shí)，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時(shí)，飛行器便保持懸停狀態(tài)。保證四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速同步增加或減小是垂直運(yùn)動的關(guān)鍵。
（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，電機(jī) 2、電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速保持不變。為了不因?yàn)樾磙D(zhuǎn)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(zhuǎn)速該變量的大小應(yīng)相等。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)（方向如圖所示），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(gè)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：四旋翼飛行器偏航運(yùn)動可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來實(shí)現(xiàn)。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(gè)旋翼中的兩個(gè)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)反轉(zhuǎn)，且對角線上的來年各個(gè)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(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，四個(gè)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(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，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(shí)，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(shí)保持其它兩個(gè)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。當(dāng)然在圖 b 圖 c中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運(yùn)動的同時(shí)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。
四軸飛行控制算法：
四軸作為一個(gè)飛行控制系統(tǒng)，其本身是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有反饋調(diào)節(jié)功能，其主要控制過程分為兩個(gè)步驟。
姿態(tài)解算
控制過程
(1)姿態(tài)解算：姿態(tài)解算是借助陀螺儀和加速度計(jì)傳感器測量出系統(tǒng)坐標(biāo)系的3個(gè)方向的角速度以及加速度，然后進(jìn)行卡爾曼濾波做數(shù)據(jù)濾波+融合處理，最后用四元素算法或者是歐拉角公式求解出慣性坐標(biāo)系下的俯仰角(pitch)、翻滾角(roll)、偏航角(yaw)，這3個(gè)角度成為姿態(tài)角。
(2)控制過程：控制過程就是飛控板不停進(jìn)行姿態(tài)解算并算出來當(dāng)前時(shí)刻的姿態(tài)角，然后通過控制算法計(jì)算出來當(dāng)前時(shí)刻要對四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制值，最終使四軸是3個(gè)姿態(tài)角始終保持在設(shè)定的狀態(tài)下。如果想要四軸處于懸停狀態(tài)，只要把3個(gè)目標(biāo)姿態(tài)角都設(shè)為0°就行了；如果想要四軸處于其他飛行狀態(tài)，只要調(diào)整3個(gè)目標(biāo)姿態(tài)角就可以了，四軸就會自動的變化到預(yù)設(shè)的飛行狀態(tài)上去?？刂扑惴ㄟ€是用的PID比較多，不過不是傳統(tǒng)的PID，而是對PID做了改進(jìn)和優(yōu)化處理了。
因?yàn)榫唧w算法有點(diǎn)復(fù)雜，所以就不在這里詳細(xì)解釋了，以后我會開源出了我以前做的四軸項(xiàng)目供大家參考。如果有什么問題，可以關(guān)注小編并私信。
聯(lián)系客服
