目前應(yīng)用廣泛的飛行器有：固定翼飛行器和單軸的直升機(jī)。與固定翼飛行器相比，四軸飛行器機(jī)動(dòng)性好，動(dòng)作靈活，可以垂直起飛降落和懸停，缺點(diǎn)是續(xù)航時(shí)間短得多、飛行速度不快;而與單軸直升機(jī)比，四軸飛行器的機(jī)械簡(jiǎn)單，無(wú)需尾槳抵消反力矩，成本低 。

就小型電動(dòng)四軸飛行器，簡(jiǎn)要介紹飛行器所涉及到的原理。

硬件構(gòu)成

飛行器由機(jī)架、電機(jī)、螺旋槳和控制電路構(gòu)成。

圖1 四軸飛行器整機(jī)

電氣構(gòu)成

電氣部分包括：控制電路板、電子調(diào)速器、電池，和一些外接的通訊、傳感器模塊?？刂齐娐钒迨请姎獠糠值暮诵模厦姘?MCU、陀螺儀、加速度計(jì)、電子羅盤、氣壓計(jì)等芯片，負(fù)責(zé)計(jì)算姿態(tài)、處理通信命令和輸出控制信號(hào)到電子調(diào)速器。電子調(diào)速器簡(jiǎn)稱電調(diào)，用于控制無(wú)刷直流電機(jī)。電氣連接如圖 2所示。

圖2 電氣連接圖

軟件構(gòu)成

上位機(jī)

上位機(jī)是針對(duì)飛行器的需要，在 Qt SDK 上寫的一個(gè)桌面程序，可以通過(guò)串口與飛行器相連，具備傳感器校正、顯示姿態(tài)、測(cè)試電機(jī)、查看電量、設(shè)置參數(shù)等功能，主界面如圖3。

圖3 上位機(jī)界面

下位機(jī)

下位機(jī)為飛行器上 MCU 里的程序，主要有三個(gè)任務(wù)：計(jì)算姿態(tài)、接受命令和輸出控制。下位機(jī)直接控制電機(jī)功率，飛行器的安全性、穩(wěn)定性、可操縱性都取決于它。

飛行原理

坐標(biāo)系統(tǒng)

飛行器涉及兩個(gè)空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)：地理坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系。地理坐標(biāo)系是固連在地面的坐標(biāo)系，機(jī)體坐標(biāo)系是固連在飛行器上的坐標(biāo)系。地理坐標(biāo)系采用“東北天坐標(biāo)系”，X 軸指向東，為方便羅盤的使用，Y 軸指向地磁北，Z 軸指向天頂。機(jī)體坐標(biāo)系原點(diǎn)在飛行器中心，xy 平面為電機(jī)所在平面，電機(jī)分布在{|x|=|y|,z=0}的直線上，第一象限的電機(jī)帶正槳，z 軸指向飛行器上方。

圖四 地理坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系圖示

姿態(tài)的表示和運(yùn)算

飛行器的姿態(tài)，是指飛行器的指向，一般用三個(gè)姿態(tài)角表示，包括偏航角(yaw)、俯仰角(pitch)和滾轉(zhuǎn)角(roll)。更深一層，姿態(tài)其實(shí)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)變換，表示機(jī)體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系，這里定義姿態(tài)為機(jī)體坐標(biāo)系向地理坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。旋轉(zhuǎn)變換有多種表示方式，包括變換矩陣、姿態(tài)角、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角、四元數(shù)等。

動(dòng)力學(xué)原理

螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，把空氣對(duì)螺旋槳的壓力在軸向和側(cè)向兩個(gè)方向分解，得到兩種力學(xué)效應(yīng)：推力和轉(zhuǎn)矩。當(dāng)四軸飛行器懸停時(shí)，合外力為 0，螺旋槳的推力用于抵消重力，轉(zhuǎn)矩則由成對(duì)的正槳反槳抵消。當(dāng)飛行器運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)橥屏χ荒苎剌S向，所以只能通過(guò)傾斜姿態(tài)來(lái)提供水平的動(dòng)力，控制運(yùn)動(dòng)由控制姿態(tài)來(lái)間接實(shí)現(xiàn)。

四軸飛行器的主要工作原理如上所述，由于姿態(tài)測(cè)量與控制在此不做展開。