關(guān)于四旋翼無人飛行機(jī)的控制原理分析

　　形式如圖所示，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(dòng)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(duì)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(duì)機(jī)身的反扭矩。四旋翼飛行器在空間共有6個(gè)自由度（分別沿3個(gè)坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作），這6個(gè)自由度的控制都可以通過調(diào)節(jié)不同電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。

　　其基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別是：

　　（1）垂直運(yùn)動(dòng)；（2）俯仰運(yùn)動(dòng)；

　?。?）滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；（4）偏航運(yùn)動(dòng)；

　?。?）前后運(yùn)動(dòng)；（6）側(cè)向運(yùn)動(dòng)；

　　在控制飛行器飛行時(shí)，有如下技術(shù)難點(diǎn)：

　　首先，在飛行過程中它不僅受到各種物理效應(yīng)的作用，還很容易受到氣流等外部環(huán)境的干擾，很難獲得其準(zhǔn)確的性能參數(shù)。

　　其次，微型四旋翼無人飛行器是一個(gè)具有六個(gè)自由度，而只有四個(gè)控制輸入的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合和干擾敏感的特性，使得飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得非常困難。

　　再次，利用陀螺進(jìn)行物體姿態(tài)檢測需要進(jìn)行累計(jì)誤差的消除，怎樣建立誤差模型和通過組合導(dǎo)航修正累積誤差是一個(gè)工程難題。這三個(gè)問題解決成功與否，是實(shí)現(xiàn)微型四旋翼無人飛行器自主飛行控制的關(guān)鍵，具有非常重要的研究價(jià)值。

　　下面將逐個(gè)說明飛行器的各種飛行姿態(tài)：

　　垂直運(yùn)動(dòng)——在圖中，因有兩對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對(duì)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(dòng)。當(dāng)外界擾動(dòng)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(dòng)的關(guān)鍵。

　　俯仰運(yùn)動(dòng)——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(dòng)。