四軸飛行器又稱四旋翼飛行器、四旋翼直升機，簡稱四軸、四旋翼。這四軸飛行器（Quadrotor）是一種多旋翼飛行器。四軸飛行器的四個螺旋槳都是電機直連的簡單機構，十字形的布局允許飛行器通過改變電機轉速獲得旋轉機身的力，從而調整自身姿態。具體的技術細節在“基本運動原理”中講述。因為它固有的複雜性，歷史上從未有大型的商用四軸飛行器。近年來得益於微機電控制技術的發展，穩定的四軸飛行器得到了廣泛的關注，套用前景十分可觀。國際上比較知名的四軸飛行器公司有中國大疆創新公司、法國Parrot公司、德國AscTec公司和美國3D Robotics公司。
基本介紹
- 中文名：四軸飛行器
- 外文名：Quadcopter
- 類別：飛行器
- 又稱：四旋翼飛行器
結構原理,運動原理,功能和套用,技術前沿,飛行器簡介,發展方向,
結構原理
結構特性
如圖所示，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。
四軸飛行器是一個在空間具有6個活動自由度（分別沿3個坐標軸作平移和旋轉動作），但是只有4個控制自由度（四個電機的轉速）的系統，因此被稱為欠驅動系統（只有當控制自由度等於活動自由度的時候才是完整驅動系統）。不過對於姿態控制本身（分別沿3個坐標軸作旋轉動作），它確實是完整驅動的。
與直升機相比，四軸飛行器可以實現的飛行姿態較少，不過基本的前進、後退、平移等狀態都可以實現。但是四軸飛行器的機械結構遠遠比直升機簡單，維修和更換的開銷也非常小，這讓四軸飛行器有了比直升機更大的套用優勢。
自動控制原理
為了保持飛行器的穩定飛行，在四軸飛行器上裝有3個方向的陀螺儀和3 軸加速度感測器組成慣性導航模組，可以計算出飛行器此時相對地面的姿態以及加速度、角速度。飛行控制器通過算法計算保持運動狀態時所需的旋轉力和升力，通過電子調控器來保證電機輸出合適的力。
運動原理
垂直運動，俯仰運動，滾轉運動，偏航運動。
垂直運動
圖（a）中，因有兩對電機轉向相反，可以平衡其對機身的反扭矩，當同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉速增加使得總的拉力增大，當總拉力足以克服整機的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時減小四個電機的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實現了沿z軸的垂直運動。當外界擾動量為零時，在旋翼產生的升力等於飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態。保證四個旋翼轉速同步增加或減小是垂直運動的關鍵。
俯仰運動
圖（b）中，電機1的轉速上升，電機3的轉速下降，電機2、電機4的轉速保持不變。為了不因為旋翼轉速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變，旋翼1與旋翼3轉速改變數的大小應相等。由於旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，產生的不平衡力矩使機身繞y軸旋轉（方向如圖所示），同理，當電機1的轉速下降，電機3的轉速上升，機身便繞y軸向另一個方向旋轉，實現飛行器的俯仰運動。
滾轉運動
與圖（b）的原理相同，在圖（c）中，改變電機2和電機4的轉速，保持電機1和電機3的轉速不變，則可使機身繞x軸旋轉（正向和反向），實現飛行器的滾轉運動。
偏航運動
四旋翼飛行器偏航運動可以藉助旋翼產生的反扭矩來實現。旋翼轉動過程中由於空氣阻力作用會形成與轉動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉，兩個反轉，且對角線上的各個旋翼轉動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉速有關，當四個電機轉速相同時，四個旋翼產生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發生轉動；當四個電機轉速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉動。在圖（d）中，當電機1和電機3的轉速上升，電機2和電機4的轉速下降時，旋翼1和旋翼3對機身的反扭矩大於旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在富餘反扭矩的作用下繞z軸轉動，實現飛行器的偏航運動，轉向與電機1、電機3的轉向相反。因為電機的總升力不變，飛機不會發會垂直運動。
前後運動
要想實現飛行器在水平面內前後、左右的運動，必須在水平面內對飛行器施加一定的力。在圖（e）中，增加電機3轉速，使拉力增大，相應減小電機1轉速，使拉力減小，同時保持其它兩個電機轉速不變，反扭矩仍然要保持平衡。按圖（b）的理論，飛行器首先發生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產生水平分量，因此可以實現飛行器的前飛運動。向後飛行與向前飛行正好相反。當然在圖（b）圖（c）中，飛行器在產生俯仰、翻滾運動的同時也會產生沿x、y軸的水平運動。
側向運動
在圖（f）中，由於結構對稱，所以側向飛行的工作原理與前後運動完全一樣。
功能和套用
小型的四軸飛行器可以自由地實現懸停和空間中的自由移動，具有很大的靈活性。此外，因為它結構簡單，機械穩定性好，所以成本低廉、性價比很高。主要的套用是玩具、航模，以及航拍，新的套用也在不斷的拓展之中。
技術前沿
到2012年左右，國際上普遍認為四軸飛行器的控制已經不再是學術研究問題，而是成熟的技術。學術研究的方向也轉向了基於四軸飛行器做智慧型導航或者多飛行器的編隊控制。
四軸飛行器的智慧型導航指的是利用機器視覺技術、人工智慧技術讓四軸飛行器能像人一樣在複雜環境中活動。
多飛行器的編隊控制是指同時控制多個飛行器，或者讓多個飛行器自主編隊飛行。
世界上較為優秀的四軸飛行器研究機構有美國賓夕法尼亞大學、瑞士聯邦蘇黎世理工學院、中國香港科技大學。
飛行器簡介
Phantom 精靈系列 - DJI
條目 | 內容 |
上市時間 | Phantom 1 （2012年12月），Phantom 2（2013年10月）， Phantom 2 Vision + （2014年4月 |
起飛重量（Phantom 2 Vision +） | 1284g |
電池容量和飛行時間（Phantom 2 Vision +） | 5200mAh，約25分鐘 |
遙控通訊距離（Phantom 2 Vision +） | 500m-700m |
懸停精度（Phantom 2 Vision +） | 垂直：0.8m；水平：2.5m |
其他功能1 - 雲台（Phantom 2 Vision +） | 可控範圍-90度至0度 |
其他功能2 - 相機（Phantom 2 Vision +） | 有效像素：1400萬 最大解析度：4384x3288 錄像效果：1080p30fps或720p 錄像FOV：可調110度或85度 |
其他功能3 - 手機APP（Phantom 2 Vision +） | iOS/Android 實時圖像傳輸和FPV飛行 遠程控制相機和參數設定 相冊同步分享 |
X650 Pro-Xaircarft
條目 | 內容 |
上市時間 | 2013年4月 |
最大起飛重量 | 3000g |
最大負載 | 1735g |
電池容量和飛行時間 | 1800g(含4S 5800mAh電池) 20分鐘 2500g(含4S 5800mAh電池) 14分鐘 |
飛行控制器 | Super X |
懸停精度 | 垂直方向: ±1.0m 水平方向：±2.0m |
雲台 | STELLA- “星雲” 雙軸無刷Gopro雲台 |
搭配相機 | Gopro系列運動相機 |
特點 |
|
發展方向
四軸飛行器作為時下最熱門的一種飛行器，已經越來越受到廣大科學愛好者和商業公司的關注，從amazon的用四軸飛行器為客戶投遞包裹的構想就可見一斑。可以說四軸飛行器未來的套用前景十分廣闊。
這裡所說的四軸飛行器不是單指四旋翼，是具有一個以上氣動旋轉軸的飛行器的俗稱。
筆者認為四軸飛行器未來發展方向主要有以下幾個方面：
一是可作為新概念交通工具。
早在二戰時，載人四軸的原型機已經被設計出來，但因為控制技術還跟不上，飛行器因不穩定而無法投入實際套用。
這裡所說的四軸飛行器不是單指四旋翼，是具有一個以上氣動旋轉軸的飛行器的俗稱。
筆者認為四軸飛行器未來發展方向主要有以下幾個方面：
一是可作為新概念交通工具。
早在二戰時，載人四軸的原型機已經被設計出來，但因為控制技術還跟不上，飛行器因不穩定而無法投入實際套用。
二是安保領域。
隨著人工智慧的不斷發展，配備高清攝像機、各種安保設備的四軸飛行器將廣泛套用在公安、消防、家庭和單位安保領域，四軸將成為極度智慧型、行動敏捷的電子警察、電子消防員、電子保全、電子管家，也許在不久的將來，你會因為有一個會飛的家庭照看機器人而感到無比的貼心和安全。
三是建築領域及其它高危作業環境。
TED大會上展示的四軸飛行器搭建建築的視頻也許不少愛好者都看過，這是相當有前景的套用，比起3D列印一座房子，用一群微小的四軸飛行器來構建龐大的建築更加切合實際和靈活髙效，也許有一天你路過建築工地，看到頭頂上不是一群建築工人在忙碌，而是一群嗡嗡作響的四軸飛行器在井然有序的工作，那個時候你可不要吃驚眼前看到的一切。
