5.2 无人机飞行操控原理

旋翼无人机的旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。
四旋翼飞行器的电机 1和电机 3逆时针旋转的同时，电机 2和电机 4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。在上图中，电机 1和电机 3作逆时针旋转，电机 2和电机 4作顺时针旋转，规定沿 x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降

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图 2四旋翼无人机结构图
（1）垂直运动
同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿 z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。
 
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图 3四旋翼无人机垂直运动示意图

（2）偏航运动
旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭 矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼 飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在下图中，当电机 1和电机 3 的转速上升，电机 2 和电机 4 的转速下降时，旋翼 1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴转动， 实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、电机3的转向相反。
 
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图 4四旋翼无人机偏航运动示意图
（3）前后运动
要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在下图中，增加电机 3转速，使拉力增大，相应减小电机 1转速，使拉力减小，同时保持 其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。为使旋翼拉力产生水平分量，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。
 
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图 5四旋翼无人机前后运动示意图
（4）左右运动
在下图中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

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图 6四旋翼无人机左右运动示意图
总结
无人机的飞行本质是通过遥控器精确控制螺旋桨转速，调节升力、扭矩和水平分力的平衡：
(1)升降依赖总升力与重力的平衡；
(2)偏航依赖反扭矩的不平衡；
(3)前后左右平飞依赖机身倾斜产生的水平分力。