四旋翼

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。四旋翼飛行器是一種小型的輕旋翼飛行器，其布局形式新穎，結構緊湊。

四旋翼飛行器主要是通過改變4個電機的轉速來調節螺旋槳轉速，由旋翼升力的變化實現對飛行器的控制。四旋翼飛行器由於能夠垂直起降，自由懸停，且機身輕便易操控，可適應於各種速度及各種飛行剖面航路的飛行狀況，這些優勢決定了它是一種軍民兩用的高科技設備。從當前國內外的諸多領域可以了解到，四旋翼無人飛行器能夠在軍用和民用領域完成各種複雜，危險的任務，實踐價值較高。

基本介紹

• 中文名：四旋翼
• 外文名：Quadrotor
• 屬性：飛行器
• 別名：四旋翼直升機
• 外觀：時尚精美，做工精湛
• 設計：易作、易維護

四旋翼簡介

四旋翼直升機，國外又稱Quadrotor，Four-rotor，4 rotors helicopter，X4-flyer等等，是一種具有四個螺旋槳的飛行器並且四個螺旋槳呈十字形交叉結構，相對的四旋翼具有相同的旋轉方向，分兩組，兩組的旋轉方向不同。與傳統的直升機不同，四旋翼直升機只能通過改變螺旋槳的速度來實現各種動作（目前，也出現可以改變螺距的四旋翼飛行器，這種控制方式比改變電機轉速更靈活方便）。

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。優酷搜尋“TED - 紅遍全球的的炫酷飛行器”。

結構和原理

結構形式

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，四個旋翼的結構和半徑相同，四個電機對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間安放飛行控制計算機和外部設備。

四旋翼結構

四旋翼飛行器一般是由四個可以獨立控制轉速的外轉子直流無刷電機驅動的螺旋槳提供全部動力的飛行運動裝置，四個固定迎角的螺旋槳分別安裝在兩個十字相交的剛性碳素桿的兩端。對於絕大多數四旋翼飛行器來講，飛行器的結構是關於兩根碳素桿的交點對稱的，並且兩個相鄰的螺旋槳旋轉方向相反；正是由於這種獨特結構，使四旋翼飛行器抵消了飛機的陀螺效應。

工作原理

通過調節四個電機轉速來改變旋翼轉速，實現升力的變化，進而控制飛行器的姿態和位置。四旋翼是一種欠驅動系統，是一種六自由度的垂直升降機，四個輸入力，六個狀態輸出。

垂直飛行控制：控制飛機的爬升，下降和懸停。圖中藍色弧線箭頭方向表示螺旋槳旋轉的方向，以下同。當四旋翼處於水平位置時，在垂直方向上，慣性坐標系同機體坐標系重合。同時增加或減小四個旋翼的螺旋槳轉速，四個旋翼產生的升力使得機體上升或下降，從而實現爬升和下降。懸停時，保持四個旋翼的螺旋槳轉速相等，並且保證產生的合推力與重力相平衡，使四旋翼在某一高度處於相對靜止狀態，各姿態角為零。垂直飛行控制的關鍵是要穩定四個旋翼的螺旋槳轉速使其變化一致。

原理圖

橫滾控制：如圖所示，通過增加左邊旋翼螺旋槳轉速，使拉力增大，相應減小右邊旋翼螺旋槳轉速，使拉力減小，同時保持其它兩個旋翼螺旋槳轉速不變。這樣由於存在拉力差，機身會產生側向傾斜，從而使旋翼拉力產生水平分量，使機體向右運動，當2,4轉速相等時，可控制四旋翼飛行器作側向平飛運動。

俯仰控制：在保持左右兩個旋翼螺旋槳轉速不變的情況下，減少前面旋翼螺旋槳的轉速，並相應增加前面旋翼螺旋槳的轉速，使得前後兩個旋翼存在拉力差，從而引起機身的前後傾斜，使旋翼拉力產生與橫滾控制中水平方向正交的水平分量，使機體向前運動。類似的，當1,3轉速相同時可控制四旋翼飛行器作縱向平飛運動。

偏航控制：四旋翼飛行器為了克服反扭矩影響，四個旋翼螺旋槳中的兩個逆時針旋轉，兩個順時針旋轉，對角線上兩個螺旋槳上的轉動方向相同。反扭矩大小與旋翼螺旋槳轉速有關，四個旋翼螺旋槳轉速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起機體的轉動。因此可以設計四旋翼飛行器的偏航控制，即同時提升一對同方向旋轉的旋翼螺旋槳轉速並且降低另一對相反方向旋轉的旋翼螺旋槳轉速，並保證轉速增加的旋翼螺旋槳轉動方向與四旋翼飛行器機身的轉動方向相反。

機翼特點

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。

套用

四旋翼飛行器在軍用領域中的套用狀況分析

四旋翼飛行器採取的是輪式起降技術以及組合導航模式等策略，對抗空中氣流衝擊時的動力性極強，且具備極佳的反監視、抗信號偵測干擾等優勢。基於此，四旋翼飛行器在世界軍事領域中的套用較為廣泛，在多用途無人機系統平台的操縱下，能夠圓滿完成地形勘測等多項軍事任務。與常規旋翼飛行器如傳統布局的直升機等相比，四旋翼飛行器結構更為緊湊，動力利用效率高，並且，四隻翼扭力矩可相互抵消，不需專門的反扭矩旋翼，便於實現微小型化，特別適合在近地面環境（如室內、街巷和叢林中）執行監視、偵察等任務，具有廣闊的軍事前景。此外，四旋翼飛行器在操作過程中十分便捷，且該設備在維護方面的成本較低。

四旋翼飛行器在民用領域中的套用現狀分析

在最初，四旋翼飛行器憑藉其機身小、動力足等優勢，在世界範圍內的軍用領域中得到了廣泛套用，發展至今，四旋翼飛行器已經在民用領域中屢見不鮮，是國內外各主要地區開展醫療救助、特殊地區資源運載等工作的主要設備。在2013年4月20四川蘆山地震災區寶盛鄉的金雞峽谷3公里塌方帶上，國土資源部應急地質災害技術指導中心張斌教授帶領的隊伍用先進的四旋翼無人飛行器在整個金雞峽進行兩次長達20多分鐘的航拍，全面了解金雞峽地區山體上滑坡、掉石情況。這個無人機只有3公斤重，一個箱子就能帶走。操作簡單，飛行高度1000米以下，飛行距離可以超視距，坐在指揮車上，山上的情況通過高清畫面直接傳回，雙向視頻傳輸，特別方便溝通交流。另外，四旋翼飛行器在我國教育領域中的套用也逐漸推廣開來，為學生科研項目小組的構建提供優秀的研究素材，廣大年輕學生及業界專家學者一直在持續進行針對四旋翼飛行器設備性能提升等方面的研究與實踐。