四軸飛行器的結(jié)構(gòu)原理及發(fā)展方向

　　摘要：四軸飛行器又稱四旋翼飛行器、四旋翼直升機(jī)，簡稱四軸、四旋翼。四軸飛行器的四個(gè)螺旋槳都是電機(jī)直連的簡單機(jī)構(gòu)，十字形的布局允許飛行器通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)身的力，從而調(diào)整自身姿態(tài)。因?yàn)樗逃械膹?fù)雜性，歷史上從未有大型的商用四軸飛行器。近年來得益于微機(jī)電控制技術(shù)的發(fā)展，穩(wěn)定的四軸飛行器得到了廣泛的關(guān)注，應(yīng)用前景十分可觀。未來四軸飛行器會廣泛運(yùn)用于安防、建筑等高危領(lǐng)域。下面來看詳細(xì)介紹。

　　一、四軸飛行器的結(jié)構(gòu)原理

　　四軸飛行器是一個(gè)在空間具有6個(gè)活動自由度（分別沿3個(gè)坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動作），但是只有4個(gè)控制自由度（四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速）的系統(tǒng)，因此被稱為欠驅(qū)動系統(tǒng)（只有當(dāng)控制自由度等于活動自由度的時(shí)候才是完整驅(qū)動系統(tǒng)）。不過對于姿態(tài)控制本身（分別沿3個(gè)坐標(biāo)軸作旋轉(zhuǎn)動作），它確實(shí)是完整驅(qū)動的。

　　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。

　　自動控制原理

　　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。

　　二、四軸飛行器的發(fā)展方向

　　四軸飛行器作為時(shí)下最熱門的一種飛行器，已經(jīng)越來越受到廣大科學(xué)愛好者和商業(yè)公司的關(guān)注，從amazon的用四軸飛行器為客戶投遞包裹的設(shè)想就可見一斑?？梢哉f四軸飛行器未來的應(yīng)用前景十分廣闊。

　　這里所說的四軸飛行器不是單指四旋翼，是具有一個(gè)以上氣動旋轉(zhuǎn)軸的飛行器的俗稱。

　　四軸飛行器未來發(fā)展方向主要有以下幾個(gè)方面：

　　一是可作為新概念交通工具

　　早在二戰(zhàn)時(shí)，載人四軸的原型機(jī)已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來，但因?yàn)榭刂萍夹g(shù)還跟不上，飛行器因不穩(wěn)定而無法投入實(shí)際應(yīng)用。

　　二是安保領(lǐng)域

　　隨著人工智能的不斷發(fā)展，配備高清攝像機(jī)、各種安保設(shè)備的四軸飛行器將廣泛應(yīng)用在公安、消防、家庭和單位安保領(lǐng)域，四軸將成為極度智能、行動敏捷的電子警察、電子消防員、電子保安、電子管家，也許在不久的將來，你會因?yàn)橛幸粋€(gè)會飛的家庭照看機(jī)器人而感到無比的貼心和安全。

　　三是建筑領(lǐng)域及其它高危作業(yè)環(huán)境

　　TED大會上展示的四軸飛行器搭建建筑的視頻也許不少愛好者都看過，這是相當(dāng)有前景的應(yīng)用，比起3D打印一座房子，用一群微小的四軸飛行器來構(gòu)建龐大的建筑更加切合實(shí)際和靈活髙效，也許有一天你路過建筑工地，看到頭頂上不是一群建筑工人在忙碌，而是一群嗡嗡作響的四軸飛行器在井然有序的工作，那個(gè)時(shí)候你可不要吃驚眼前看到的一切。