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設(shè)備與工具（一）四旋翼無人機(jī)是怎么火起來的？
2010年，AR.Drone橫空出世；在AR.Drone的引領(lǐng)下，全球范圍內(nèi)都有一股將四旋翼商業(yè)化的熱潮。2012年DJI相繼推出了風(fēng)火輪系列四旋翼機(jī)架、悟空四旋翼飛控和S800六旋翼飛行器。其實(shí)，2012年的時(shí)候，研發(fā)四旋翼產(chǎn)品的人們?cè)跓崆橹嘁泊嬗幸唤z迷茫：四旋翼飛行器是很好玩，但是它除了作為玩具之外，還有什么價(jià)值呢？就像AR.Drone被定義成玩具一樣，DJI最早的多旋翼產(chǎn)品也被人定義成玩具、航模。這個(gè)問題在2013年得到了解答。隨著DJI在2013年1月的推出Phantom，四旋翼飛行器市場(chǎng)的形勢(shì)發(fā)生了巨大的變化。Phantom與AR.Drone一樣控制簡(jiǎn)便，新手學(xué)習(xí)多半個(gè)小時(shí)就可以自由飛行；Phantom尺寸比AR.Drone大的多，抗風(fēng)性更好，還具有內(nèi)置GPS導(dǎo)航功能，可以在戶外很大的范圍內(nèi)飛行；更重要的是，當(dāng)時(shí)利用GoPro運(yùn)動(dòng)相機(jī)拍攝極限運(yùn)動(dòng)已經(jīng)成為歐美國(guó)家的時(shí)尚，而Phantom提供了掛載GoPro的連接架，讓用GoPro相機(jī)的人們有了從天空向下的拍攝視角。特別地，與傳統(tǒng)的飛機(jī)和直升機(jī)航拍不同，多旋翼系統(tǒng)小巧靈活，能讓拍攝者自由地控制角度和距離。就像iPhone重新定義了手機(jī)一樣，我們也可以毫不夸張地說：Phantom+GoPro重新定義了航拍，也重新定義了相機(jī)。必須承認(rèn)：四旋翼無人機(jī)成為航拍嬌子要感謝大疆！
四旋翼采用了四個(gè)旋翼的機(jī)械結(jié)構(gòu)，四個(gè)電機(jī)作為飛行的直接動(dòng)力源，通過改變四個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的升力來控制，結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性得到了簡(jiǎn)化。如圖(a)~圖(d)，四旋翼的前槳和后槳順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，左右兩槳逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，這種反向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)代替了傳統(tǒng)直升機(jī)尾旋翼。在飛行過程中，改變四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，四旋翼將產(chǎn)生各種飛行姿態(tài)，使四旋翼向預(yù)定方向運(yùn)動(dòng)，完成任務(wù)。
四旋翼的地面坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系：
(1)俯仰角θ，機(jī)體軸OX與地面間的夾角。
(2)滾轉(zhuǎn)角φ，機(jī)體軸OZ和包含機(jī)體軸OX間的夾角。
(3)偏航角ψ，機(jī)體軸OX在地面投影與地軸OgXg間的夾角。
（二）四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)原型
四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)模型如下：
推進(jìn)器（1、3）、（2、4）為互相對(duì)稱的兩部分。通過改變推進(jìn)器轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，會(huì)使飛行器產(chǎn)生升力，引起運(yùn)動(dòng)。因此，通過改變4個(gè)推進(jìn)器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，我們可以控制飛行器的垂直起降運(yùn)動(dòng)。如果相反地控制（2、4）推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)速度，會(huì)引起滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；如果相反地控制（1、3）推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)速度，會(huì)引起俯仰運(yùn)動(dòng)；要使飛行器產(chǎn)生偏航運(yùn)動(dòng)，則需要通過共同控制（1、2）和（3、4）推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)速度。
（1）垂向飛行：垂向飛行相對(duì)來說比較容易控制，控制方式如圖(a)，圖中箭頭的粗細(xì)代表旋翼轉(zhuǎn)速大小。同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，四旋翼無人機(jī)向上飛行；反之，同時(shí)減小四個(gè)電機(jī)的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速下降，使得總的拉力減小，四旋翼無人機(jī)向下飛行。
（2）縱向飛行：縱向飛行控制方式如圖(b)。增加后邊電機(jī)的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使拉力增大，相應(yīng)的減小前邊電機(jī)的輸出功率，使拉力減小。這樣由于存在拉力差，機(jī)身會(huì)俯仰傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可控制無人機(jī)向前飛行。向后飛行與向前飛行正好相反。
（3）橫向飛行：由于四旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，橫向飛行的控制方式和縱向飛行完全一樣，參見圖(c)。
（4）水平轉(zhuǎn)動(dòng)：四旋翼無人機(jī)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來實(shí)現(xiàn)。旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)過程中由于空氣阻力作用會(huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩，常規(guī)的直升機(jī)為了平衡反扭矩的影響，需借助尾槳的作用來實(shí)現(xiàn)。四旋翼無人機(jī)為了克服反扭矩的影響，使其四個(gè)旋翼中的兩個(gè)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)反轉(zhuǎn)，且對(duì)角線上的兩個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速相同時(shí)，反扭矩互相平衡，無人機(jī)不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速不同時(shí)，不平衡的反扭矩會(huì)引起四旋翼無人機(jī)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)。為了使四旋翼無人機(jī)按照期望方向作水平轉(zhuǎn)動(dòng)，可以同時(shí)增加一對(duì)同方向旋轉(zhuǎn)的旋翼轉(zhuǎn)速并減小另一對(duì)旋翼轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)速增加的旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向與期望的水平轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。水平轉(zhuǎn)動(dòng)控制如圖(d)。
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