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四軸飛行器（Quadrotor）是一種多旋翼飛行器，它的四個(gè)螺旋槳都是電機(jī)直連的簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)，十字形的布局允許飛行器通過(guò)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)。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 。
今天，由創(chuàng)客集結(jié)號(hào)為大家簡(jiǎn)要介紹四軸飛行器主要工作原理。
1.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。而機(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。
2.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。
3.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)。
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