四旋翼飛行器也稱為四旋翼直升機，是一種有4個螺旋槳且螺旋槳呈十字形交叉的飛行器，可以搭配微型相機錄製空中視頻。
在大學裡，一些對四旋翼直升機感興趣的大學生將數學算法運用到機器當中，創造出了極富智慧型的四旋翼直升機，TED講壇中有所詮釋。
基本介紹
- 中文名：四旋翼飛行器
- 外文名：Quadrotor，Four-rotor，4 rotors helicopter，X4-flyer
- 定義：螺旋槳呈十字形交叉的飛行器
- 功能：航拍、轉移輕小物品
- 用途：賽事直播、快遞投送、地質勘測
結構框架,數學建模,內部設計,
結構框架
四旋翼飛行器採用四個旋翼作為飛行的直接動力源，旋翼對稱分布在機體的前後、左右四個方向，四個旋翼處於同一高度平面，且四個旋翼的結構和半徑都相同，旋翼1 和旋翼3 逆時針旋轉，旋翼2 和旋翼4 順時針旋轉，四個電機對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計算機和外部設備。
典型的傳統直升機配備有一個主轉子和一個尾漿。他們是通過控制舵機來改變螺旋槳的槳距角，從而控制直升機的姿態和位置。四旋翼飛行器與此不同，是通過調節四個電機轉速來改變旋翼轉速，實現升力的變化，從而控制飛行器的姿態和位置。由於飛行器是通過改變旋翼轉速實現升力變化，這樣會導致其動力不穩定，所以需要一種能夠長期確保穩定的控制方法。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直起降機，因此非常適合靜態和準靜態條件下飛行。但是四旋翼飛行器只有四個輸入力，同時卻有六個狀態輸出，所以它又是一種欠驅動系統。
四旋翼飛行器的結構形式如圖1所示，電機1 和電機3 逆時針旋轉的同時，電機2 和電機4 順時針旋轉，因此當飛行器平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。與傳統的直升機相比，四旋翼飛行器有下列優勢：各個旋翼對機身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉方向相反，因此當電機1 和電機3 逆時針旋轉的同時，電機2 和電機4 順時針旋轉，可以平衡旋翼對機身的反扭矩。
數學建模
非線性數學模型
對於四旋翼飛行器來說，選用恰當的坐標系，可使運動方程的形式簡單，便於分析和求解。描述飛行器的轉動和移動，可以選用機體坐標系。確定飛行器的位置，必須選用地面坐標系。上述坐標系是笛卡爾右手定則直角坐標系。定義的兩個坐標系如圖2 所示，分別為地面坐標系E(X ,Y, Z)和機體坐標系B( Xb, Yb, Zb ) 。
內部設計
控制航行姿態的依據就是航姿感測器輸出的信號。航姿感測器至少包括傾角感測器和角速度感測器。而傾角感測器可以利用三軸加速度感測器間接實現。既然是加速度感測器，那么它輸出的信號表征的是當前三個軸向的加速度值，如果飛行器在空間中保持靜止，那么加速度值通過簡單的換算就可以得到真實的傾角參數。
但是飛行器在空間中是不可能時刻保持靜止不動的，譬如在側風的影響下，飛行器可能會向某一個方向偏離，那么此時即使飛行器確實保持水平，但三軸加速度感測器的輸出仍會偏離中心值，造成控制核心的誤判。
為避免這種情況的出現，則需要引入三軸角速度感測器和超聲測距儀，利用三個軸向上的角速度和Z軸方向上的加速度以及實時高度的變化率對X、Y軸方向上的加速度進行校正，從而得出真實的傾角信息。感測器的輸出信號經過模擬放大和模擬濾波之後送入AD變換電路轉換為數位訊號送入MCU（Microprocessor Control Unit ），由MCU進行包括但不僅限於kalman濾波等的數位訊號處理，再依據MCU中的整套航姿控制算法得出控制量，送入專司電機控制的MCU中對電機進行實時控制，同時要避免各感測器間結果的衝突乃至矛盾。
