無人機(jī)的飛行原理設(shè)計詳解

旋翼和輪子一樣，是一項神奇的發(fā)明。

四旋翼無人機(jī)更是化作了航拍機(jī)，滿足了許多普通人關(guān)于天空的想象。

旋翼之所以能飛，玩過竹蜻蜓的朋友應(yīng)該都知道：當(dāng)手的搓動給了竹蜻蜓一個旋轉(zhuǎn)的速度后就會產(chǎn)生升力，讓竹蜻蜓起飛。

同理，多旋翼無人機(jī)也是由電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，使螺旋槳產(chǎn)生升力而飛起來的。比如四旋翼無人機(jī)，當(dāng)飛機(jī)四個螺旋槳的升力之和等于飛機(jī)總重量時，飛機(jī)的升力與重力相平衡，飛機(jī)就可以懸停在空中了。

小時候看漫畫，看到哆啦A夢和大雄頭戴竹蜻蜓自由的在空中翱翔，就特別想和他們一樣，可以飛翔在空中，俯瞰大地。

但是如果現(xiàn)在真有人發(fā)明出一模一樣的竹蜻蜓，我肯定是不愿意戴的。因為飛起來的效果是這樣的：

螺旋槳瘋狂旋轉(zhuǎn)，人也向反方向瘋狂旋轉(zhuǎn)。..。..

大雄整個人都轉(zhuǎn)蒙逼了，還怎么能跟靜香一起看風(fēng)景呢？

根據(jù)牛頓第三定律，旋翼在旋轉(zhuǎn)的同時，也會同時向電機(jī)施加一個反作用力（反扭矩），促使電機(jī)向反方向旋轉(zhuǎn)。這也是為什么現(xiàn)在的直升機(jī)都會帶一個「小尾巴」，在水平方向上施加一個力，去抵消這種反作用力，保持直升機(jī)機(jī)身的穩(wěn)定。

而回到四旋翼飛行器上，它的螺旋槳也會產(chǎn)生這樣的力，所以為了避免飛機(jī)瘋狂自旋，四旋翼飛機(jī)的四個螺旋槳中，相鄰的兩個螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向是相反的。

如下圖所示，三角形紅箭頭表示飛機(jī)的機(jī)頭朝向，螺旋槳M1、M3的旋轉(zhuǎn)方向為逆時針，螺旋槳M2、M4的旋轉(zhuǎn)方向為順時針。

當(dāng)飛行時，M2、M4所產(chǎn)生的逆時針反作用力（反扭矩）和M1、M3產(chǎn)生的順時針反作用力（反扭矩）相抵消，飛機(jī)機(jī)身就可以保持穩(wěn)定，不會像大雄那樣「瘋狂」自轉(zhuǎn)了。

僅如此，多軸飛機(jī)的前后左右或是旋轉(zhuǎn)飛行的也都是靠多個螺旋槳的轉(zhuǎn)速控制來實現(xiàn)的：

垂直升降

這個很好理解，當(dāng)飛機(jī)需要升高高度時，四個螺旋槳同時加速旋轉(zhuǎn)，升力加大，飛機(jī)就會上升。當(dāng)飛機(jī)需要降低高度時同理，四個螺旋槳會同時降低轉(zhuǎn)速，飛機(jī)也就下降了。

之所以強(qiáng)調(diào)同時，是因為保持多個旋翼轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定，對保持飛行器機(jī)身姿態(tài)來說非常重要，看了之后的講究你就會明白了~

原地旋轉(zhuǎn)

上面已經(jīng)說了，當(dāng)無人機(jī)各個電機(jī)轉(zhuǎn)速相同，飛機(jī)的反扭矩被抵消，不會發(fā)生轉(zhuǎn)動。

但是當(dāng)要飛機(jī)原地旋轉(zhuǎn)時，我們就可以利用這種反扭矩，M2、M4兩個順時針旋轉(zhuǎn)的電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，M1、M3號兩個逆時針旋轉(zhuǎn)的電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，由于反扭矩影響，飛機(jī)就會產(chǎn)生逆時針方向的旋轉(zhuǎn)。

水平移動

多軸飛機(jī)與我們平時乘坐的客機(jī)不同，沒有類似客機(jī)那樣垂直于地面的螺旋槳，所以無法直接產(chǎn)生水平方向上的力來進(jìn)行水平方向上移動。

當(dāng)然這難不倒我們，還拿上圖的四旋翼來說，當(dāng)需要按照三角箭頭方向前進(jìn)時，M3、M4電機(jī)螺旋槳會提高轉(zhuǎn)速，同時M1、M2電機(jī)螺旋槳降低轉(zhuǎn)速，由于飛機(jī)后部的升力大于飛機(jī)前部，飛機(jī)的姿態(tài)會向前傾斜。

傾斜時的側(cè)面平視如下圖，這時螺旋槳產(chǎn)生的升力除了在豎直方向上抵消飛機(jī)重力外，還在水平方向上有一個分力，這個分力就讓飛機(jī)有了水平方向上的加速度，飛機(jī)也因而能向前飛行。

相反的：當(dāng)M1、M2電機(jī)加速、M3、M4電機(jī)減速時，飛機(jī)就會向后傾斜，從而向后飛行。

同理可得：當(dāng)M1、M4電機(jī)加速，M2、M3電機(jī)減速時，飛機(jī)向左傾斜，從而向左飛行；

當(dāng)M2、M3電機(jī)加速，M1、M4電機(jī)減速時，飛機(jī)向右傾斜，從而向右飛行。

這樣一解釋，是不是覺得多旋翼的飛行原理很簡單？~

其實在多旋翼之前，人們是用更復(fù)雜的固定翼飛機(jī)和直升機(jī)來進(jìn)行航拍的。

但固定翼飛機(jī)的起飛降落對場地要求非常高，也不能懸停，沒法垂直上升下降，局限性太大。

而直升機(jī)雖載重大、速度快，但是它結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜而精密，上千個零件無論是從調(diào)試還是保養(yǎng)方面都非常的麻煩。

相比而言，多旋翼的飛行原理簡單，機(jī)身結(jié)構(gòu)也就更加簡單可靠，消費(fèi)者可以很快的上手飛行而不需要過多的調(diào)試和保養(yǎng)，因此多旋翼很快占領(lǐng)了航拍市場。