北京小飛手教育科技有限公司/彭濤

對(duì)于常見(jiàn)的四旋翼無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，其基礎(chǔ)飛行姿態(tài)主要有前進(jìn)后退、左右平移、旋轉(zhuǎn)、滾轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)幾種。仔細(xì)觀察還可發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)并不是簡(jiǎn)單的平面運(yùn)動(dòng)，如前后及左右移動(dòng)時(shí)，機(jī)身會(huì)向著移動(dòng)方向發(fā)生一定程度的傾斜。這是由無(wú)人機(jī)飛行特性決定的——旋翼類(lèi)無(wú)人機(jī)是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)獲得升力，在空中通過(guò)調(diào)節(jié)不同電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變飛行姿態(tài)。本文重點(diǎn)講解四旋翼無(wú)人機(jī)在上升下降、前進(jìn)后退、左右平移及轉(zhuǎn)向姿態(tài)時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化。

一、垂直運(yùn)動(dòng)

做垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，無(wú)人機(jī)會(huì)保持在同一點(diǎn)位上升或下降。通常，同時(shí)增加4顆電機(jī)的輸出功率，旋翼的轉(zhuǎn)速增加、升力增大，無(wú)人機(jī)就會(huì)垂直上升。反之，同時(shí)減小4個(gè)電機(jī)的輸出功率，旋翼的轉(zhuǎn)速降低、升力減小，無(wú)人機(jī)便會(huì)垂直下降。若電機(jī)轉(zhuǎn)速恰好滿(mǎn)足螺旋槳的升力與整機(jī)重力相等，無(wú)人機(jī)則保持在空中懸停。當(dāng)然，實(shí)際飛行時(shí)，無(wú)人機(jī)受環(huán)境因素的影響較大，單純依靠人為操縱保持懸停的難度不小，因此其通常內(nèi)置自駕儀等電子設(shè)備，通過(guò)芯片實(shí)時(shí)計(jì)算出合適的電機(jī)轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)空中懸停的效果。

二、前進(jìn)后退

無(wú)人機(jī)在懸停時(shí)可以進(jìn)行前進(jìn)后退移動(dòng)（以機(jī)頭朝向?yàn)榍斑M(jìn)）。飛行時(shí)，無(wú)人機(jī)通過(guò)調(diào)整相鄰電機(jī)的輸出功率，改變機(jī)頭方向和機(jī)尾方向螺旋槳升力大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。即無(wú)人機(jī)前進(jìn)時(shí)機(jī)尾的2顆電機(jī)輸出功率增大，機(jī)頭的2顆電機(jī)輸出功率減小。此時(shí)，機(jī)頭處的升力力矩小于機(jī)尾處的升力力矩，使無(wú)人機(jī)被“推”向前。反之，當(dāng)增大機(jī)頭處的電機(jī)輸出功率，減小機(jī)尾處的電機(jī)輸出功率時(shí)，機(jī)頭的升力力矩大于機(jī)尾的升力力矩，無(wú)人機(jī)被“拉”向后，實(shí)現(xiàn)后退飛行。

正是由于這種特殊的操縱方式，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)的4顆螺旋槳一半升力降低而另一半升力提高，升力低的位置會(huì)低于升力高的位置，即看上去無(wú)人機(jī)在移動(dòng)時(shí)會(huì)低頭或抬頭。因此，實(shí)際操縱時(shí)，也可以通過(guò)觀察無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)判斷飛行方向——總是向著低頭那一側(cè)飛行。

向左平移的無(wú)人機(jī)

三、左右平移

無(wú)人機(jī)左右平移的原理與前進(jìn)后退相似。若無(wú)人機(jī)左側(cè)2顆電機(jī)的輸出功率降低，右側(cè)電機(jī)的輸出功率增加，則向左側(cè)平移飛行。反之，若無(wú)人機(jī)右側(cè)電機(jī)輸出功率降低，左側(cè)電機(jī)功率增加，則向右平移。

四、滾轉(zhuǎn)

四旋翼無(wú)人機(jī)的滾轉(zhuǎn)比較特殊，其不再以機(jī)身中線(xiàn)為軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，而是以其中一對(duì)電機(jī)臂為軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。飛行時(shí)，保持其中一對(duì)對(duì)向的電機(jī)轉(zhuǎn)速不變。同時(shí)，分別調(diào)整另一對(duì)對(duì)向的電機(jī)輸出功率：一個(gè)電機(jī)輸出功率降低，另一個(gè)電機(jī)輸出功率增加。此時(shí)，無(wú)人機(jī)會(huì)向電機(jī)功率降低的一側(cè)滾轉(zhuǎn)。

五、自轉(zhuǎn)

向右自轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)人機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速示意圖

無(wú)人機(jī)自轉(zhuǎn)時(shí)，可改變機(jī)頭的朝向。需要說(shuō)明的是，為了抵消螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的扭矩，其4片槳葉的轉(zhuǎn)動(dòng)方向并不相同，其中，對(duì)向的螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，而相鄰的螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。

以右轉(zhuǎn)為例，俯瞰無(wú)人機(jī)，其左上和右下的電機(jī)（順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)）輸出功率同時(shí)增加，右上和左下的電機(jī)（逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)）輸出功率同時(shí)減小。此時(shí)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的一組螺旋槳扭矩會(huì)大于順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的一組螺旋槳扭矩。在反扭矩的作用下，無(wú)人機(jī)開(kāi)始順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，即右轉(zhuǎn)。反之，減小順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋槳的電機(jī)輸出功率，增加逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋槳的電機(jī)輸出功率，在反扭矩的作用下，無(wú)人機(jī)開(kāi)始逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，即左轉(zhuǎn)。