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大疆无人机：四轴飞行器的基础知识

四轴飞行器的结构

维基百科上对四轴飞行器的解释是，一种多轴飞行器，有四个旋翼来悬停，维持姿态及平稳飞行。我们通常看到的航拍用的大疆，全是四轴飞行器。通常来说，除去DIY的特殊结构，四轴飞行器的结构可以归结为三类 - “X”型，“+”字形和“H”型图1图2中分别为“X”型和“+”字型的四轴飞行器，从图片中红色三角为机头(前进)方向。“H”型四轴飞行器从姿态控制和电机控制分配方面来看和“X”型四轴飞行器区别不大，明显的区别在于飞行器的物理结构设计，图3为“H”型四轴飞行器的实物图。

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图1：“X”型四轴飞行器

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图2：“+”型四轴飞行器

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图3：“H”型四轴飞行器

“+”型的四轴飞行器因为其电机布局和两个姿态角(俯仰角和翻滚角)重合，其控制难度较小。举个例子，“+”型飞行器想要进行俯仰运动时，只需控制前后两个电机的转速，左右电机转速保持不变即可，所以其控制飞行器稳定的难度较小，相对来说易于控制。

“X”型无人机优点是控制灵活，同样是俯仰运动中，“x”型无人机需要控制四个电机;具体表现为，前两个电机转速同时增大(减小)，后两个电机转速同时减小(增大)。因为其运动是四个电机转速同时变化，运动(俯仰运动)的合力来源于四个电机(“+”型只有前后两个电机提供力)，所以其运动的加速度更快，运动更加灵活。但是同样，控制四个电机使飞行器稳定的难度要大于控制两个电机，所 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 力。同时螺旋桨受到风的阻力(逆时针)会沿着轴施加到电机的转子上，转子与定子(电机壳)之间电磁场的相互作用力会把阻力施加到定子上，所以电机壳会对机臂施加一个逆时针的反扭力。总结一下，就是电机顺时针旋转会产生一个逆时针的反扭力。

飞行器悬停

四轴飞行器飞行原理四个螺旋桨转速相同，其产生的升力一致且升力的合力与重力相同，反扭力相互抵消，无人机处于悬停状态。

上升运动

当四旋翼飞行器的四个螺旋桨转速同时上升时，产生的升力的合力大于飞行器的重力，所以飞行器会上升;同理，合力小于重力时，飞行器会下降。

俯仰运动(前进后退)

当后侧(相对于机头)两个电机转速相同，前侧两个电机转速相同，且后侧电机转速大于前侧时;飞行器前倾，发生俯仰运动同时合力的向前的分力会使无人机前进。

翻滚运动(左右飞行)

类似俯仰运动，产生翻滚运动时机头左右两侧的电机转速不一(例：右侧两个电机转速相同且大于左侧两个电机转速);翻滚运动同时也会带来左右的侧向运动。

偏航运动

偏航运动相比较于俯仰和翻滚运动有所不同翻滚运动利用的是电机产生的反扭力进行运动当对角的两个电机转速分别相同时，飞行器会保持平衡;但主角线上的电机转速大于副对角线上电机的转速，由此造成飞行器反扭力不能完全抵消，所以会产生偏航运动。

讲到这儿，四轴飞行器的基本原理已经讲的差不多，剩下的飞行器建模，欧拉角与四元数之间的转换太过于理论，就不再这详细叙述了。

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