多旋翼无人机飞行原理及实训

如定义所述，多旋翼无人机是在平衡多个旋翼反扭矩的基础上，再通过改变各旋翼转速获得推进力，进而实现对其运动姿态和轨迹的控制。

（1）正、反桨相邻布局

为平衡反扭矩，需引入正、反桨的概念，规定逆时针旋转的桨为正桨，用“CCW”标记，与逆时针旋转的电机搭配；顺时针旋转的桨为反桨，用“CW”标记，与顺时针旋转的电机搭配。判断正、反桨的方法是：螺旋桨横着放在桌面上，桨叶有字的一面向上，右边桨叶的迎风面在后面的是正桨，右边桨叶的迎风面在前面的是反桨，如图1.21所示。桨缘是平滑弧线的一面为迎风面，可以理解为固定翼飞机机翼的前缘。

图1.21　正、反桨的判别方法

多旋翼均采用轴对称或中心对称结构设计且正、反桨相邻布局。以“X”型四旋翼为例（图1.22）：规定红色机臂为机头方向，白色机臂为机尾方向，电机M1和电机M3逆时针旋转，电机M2和电机M4顺时针旋转，即相邻的桨旋转方向相反。

这样的设计保证了飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应全部被抵消。陀螺效应是指物体转动时的离心力会使自身保持平衡；而空气动力扭矩效应是指气动面的反向作用力矩，即螺旋桨会对机身产生反向旋转。

（2）机体坐标系与三轴运动

规定飞机重心为坐标原点，从机尾到机头的坐标轴为纵轴（OX轴），旋转平面内垂直于纵轴的坐标轴为横轴（OY轴），垂直于旋转平面的坐标轴为立轴（OZ轴），如图1.23所示。

确定了机体坐标系后，多旋翼在空中的运动可以看成是沿3个坐标轴移动和绕3个坐标轴转动的合成，具体如下：沿纵轴（X轴）→前后运动，绕纵轴→滚转（横侧）运动；沿横轴（Y轴）→左右运动，绕横轴→俯仰运动；沿立轴（Z轴）→升降运动，绕立轴→偏航（方向）运动。一般情况下，多旋翼飞行器可以通过调节不同电机的转速来实现上述运动。由于俯仰导致前后运动，滚转导致左右运动，所以通常我们所看到的多旋翼运动状态，就是升降、前后、左右、原地旋转（偏航）等4种运动。

图1.22　正、反桨相邻布局设计

图1.23　机体坐标系

（3）“+”型多旋翼运动解析

以四旋翼为例，其他如六旋翼、八旋翼等可类比分析。

1）升降运动

同时增加或减小4个电机的输出功率，旋翼转速增加使得升力增大，当升力足以克服整机飞行器自身重力时，飞行器离地垂直上升，反之下降，直至平衡落地；当旋翼产生的升力等于飞行器自身重力时，飞行器便保持空中悬停状态。所以，保证4个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键，如图1.24所示。

2）俯仰→前后运动

电机1转速下降，电机3转速上升，电机2、4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速改变引起整体扭矩及总升力改变，旋翼1与旋翼3转速改变量应保持相等。此时，旋翼1升力下降，旋翼3升力上升，导致飞机产生低头力矩并使机身绕横轴旋转，实现俯仰运动，如图1.25所示。

图1.24　“+”型多旋翼升降运动(www.xing528.com)

图1.25　“+”型多旋翼前后运动

俯仰运动的出现使得飞行器发生一定程度的倾斜，从而使升力产生朝向机头的水平分量，实现飞行器的前飞运动。同理，当电机1转速上升，电机3转速下降，电机2、4的转速保持不变时，飞行器实现向后飞行。

3）滚转→左右运动

类比“俯仰→前后运动”分析可知，电机2转速上升，电机4转速下降，电机1、3转速保持不变时，飞机向右运动；电机2转速下降，电机4转速上升，电机1、3转速保持不变时，飞机向左运动。参见图1.25，注意机头朝向。

4）偏航运动

电机1和电机3转速上升，电机2和电机4转速下降，旋翼1、3对机身的反扭矩大于旋翼2、4，富余反扭矩使机身绕立轴转动，实现偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反，即机头朝右，如图1.26所示。同理，电机1和电机3转速下降，电机2和电机4转速上升时，实现机头朝左偏航运动。

（4）“X”型多旋翼运动解析

“X”型多旋翼空间运动与“+”型多旋翼类似，此时关注更多的应该是机体的坐标轴，如图1.27所示。

图1.26　“+”型多旋翼偏航运动

图1.27　“X”型多旋翼运动解析

1）升降运动

同时增大或减小电机M1、M2、M3、M4的转速，可实现飞行器的升降运动。

2）俯仰→前后运动

横轴前方电机M1、M2转速减小，横轴后方电机M3、M4转速增大，四旋翼向前飞行。反之，M1、M2转速增大，M3、M4转速减小，四旋翼向后飞行。

3）滚转→左右运动

纵轴左侧电机M2、M3减速，纵轴右侧电机M1、M4加速，飞行器向左运动；反之，M2、M3加速而M1、M4减速时，飞行器向右运动。

4）偏航运动

对角电机M1和M3加速，电机M2和M4减速，飞行器向右偏航，即机头朝右；反之，电机M1和M3减速，电机M2和M4加速，飞行器向左偏航，即机头朝左转向。