微型四轴飞行器原理图

四轴原理
四轴原理即为四旋翼飞行器的工作原理。

四旋翼飞行器由四个相对对称的旋翼组成，每个旋翼都由一个电动机驱动，并通过控制电路进行精确的调节。

四轴飞行器的飞行原理是通过对四个旋翼的转速进行精确控制，实现悬停、上升、下降、前进、后退、向左、向右平移以及旋转等多种飞行动作。

具体原理如下：
1. 升力平衡原理：四个旋翼产生的升力将飞行器维持在空中，飞行器的重力与升力平衡，实现悬停状态。

2. 空气动力学平衡原理：四个旋翼的转速可以通过电机转速控制器进行精确调节，进而调节各个旋翼产生的升力大小，实现空气动力学平衡。

3. 控制算法原理：通过搭载的传感器（如加速度计、陀螺仪、磁力计等）实时监测飞行器的姿态信息，将监测到的数据传输给飞行控制器。

飞行控制器根据姿态信息计算出相应的控制指令，通过电调调节四个旋翼的转速，控制飞行器的姿态。

如需向前飞行，则增加后面两个旋翼的转速，减小前面两个旋翼的转速，使飞行器倾斜向前。

类似地，对其他方向的飞行也是通过对相应旋翼转速的调节实现的。

4. 电源与电路原理：四轴飞行器通过电池为电动机提供能量，电路控制系统将飞行器的控制信号转化为电流和电压输出供电给电动机。

通过对四个旋翼的转速进行精确控制，在合适的气动力学平衡和姿态控制下，四轴飞行器能够实现精确悬停、稳定飞行及各种飞行动作，具有广泛的应用前景。

四旋翼飞行器结构和原理1.结构形式旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。

结构形式如图1.1所示。

.工作原理四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。

四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。

四旋翼飞行器的电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。

在上图中，电机1和电机3作逆时针旋转，电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。

（1）垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。

当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。

（2）俯仰运动：在图（b）中，电机1的转速上升，电机3 的转速下降（改变量大小应相等），电机2、电机4 的转速保持不变。

由于旋翼1 的升力上升，旋翼3 的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y 轴旋转，同理，当电机1 的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。

（3）滚转运动：与图b 的原理相同，在图c 中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x 轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。

（4）偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。

全球最小四轴飞行器Crazyflie电路部分详解上网日期: 2016年02月16日Crazyflie是目前全世界最小的四轴飞行器，仅重19克，相对的两翼之间长度为9厘米。

有两个不同的版本，区别在于传感器的数量。

这个小四轴飞行器可以在空中飞行长达7分钟,通过一个标准的USB接头给锂聚合物电池充电需要约20分钟。

它的电路部分到底是如何实现的？且听我慢慢道来。

1. 电气原理从中心开始：72M主频的M3内核的处理器来处理各传感器数据，并对四个旋翼进行控制达到想要的效果。

往上：通过IIC接口与三轴陀螺仪、三轴加速度计（也就是MPU6050）、磁力计、气压计等传感器连接获取传感器数据，来感知载体（也就是四轴机体）的姿态（这里的姿态包括俯仰、横滚、航向）和高程。

往下：通过PWM调节四个电机驱动器来驱动四个电机转动，由于电机带有螺旋桨转动而产生所谓的“升力”。

往右：通过SPI协议接口与无线芯片通讯，回传载体数据和接收控制信号，还有外部扩展接口。

往左：电源管理部分。

2. 电池电池使用的是锂电池（锂离子聚合物电池），是目前流行的遥控模型电池。

但锂电池必须按照规定使用，过冲、过放都会产生安全隐患。

由于它具有最高的电能/质量比和最大的放电电流，所以也是比较适合的选择。

为了应付锂电池的这些缺点，我们使用电路保护模块（PCM）来防止电量不足、过放电或者短路。

PCM 位于电池上部的橙色胶带下面，从中引出两条电源线。

但是这种保护是远远不够的，还需要有专门的充放电管理电路来保护。

比如电气原理图的Power Mangment and Charging部分。

PCM 的参数如下：3. 电源管理电源管理主要是由TI BQ24075 电源管理芯片来完成。

它能开/关和给锂电池充电。

BQ24075有三种输入限制模式，100mA，500mA和用户自定义（Crazyflie设置740mA）。

当将Crazyflie 接上普通电源适配器时就可以使它能快速的充电。

四轴飞行器的工作原理
四轴飞行器是一种无人机，它由四个电动马达驱动的旋翼组件组成。

这些旋翼组件位于飞行器的四个角落，通过不同的旋翼速度和倾斜角度来实现飞行和悬停。

电调控制
每个电动马达通过电调来控制旋翼的转速和旋翼的倾斜角。

电调接收飞行控制器发送的指令，然后控制马达的速度以及旋翼的倾斜角度，从而使飞行器实现不同方向的飞行和悬停。

加速度计和陀螺仪
四轴飞行器还配备了加速度计和陀螺仪，这些传感器用来感知飞行器的姿态和位置。

加速度计测量飞行器的加速度，陀螺仪测量飞行器的旋转速度。

这些数据被发送到飞行控制器，用来调整电调的输出，从而维持飞行器的稳定飞行和悬停。

遥控器
飞行器的飞行可以通过遥控器来实现，飞行员通过遥控器发送指令给飞行器，从而控制飞行器的飞行方向、速度和高度。

遥控器通过无线信号和接收器连接到飞行控制器，将飞行员的指令转化为电调的控制参数。

姿态控制
四轴飞行器的飞行姿态通过电调控制四个旋翼的转速和倾斜角来实现。

在飞行过程中，加速度计和陀螺仪的反馈数据被飞行控制器实时处理，以保持飞行器的平稳飞行状态。

姿态控制是四轴飞行器能够实现精确悬停和各种飞行动作的基础。

总结
四轴飞行器的工作原理主要依靠电调、加速度计和陀螺仪、遥控器以及姿态控制系统。

通过这些关键组件的协同作用，四轴飞行器能够实现稳定的飞行和悬停，成为现代航空领域的重要应用之一。

四轴四轴（1）-飞行原理总算能抽出时间写下四轴文章，算算接触四轴也两年多了，从当初的模仿到现在的自主创作经历了不少收获了也不少。

朋友们也经常问我四轴怎么入门，今天就简单写下四轴入门的基本知识。

尽量避开专业术语和数学公式。

1、首先先了解下四轴的飞行原理。

四轴的一般结构都是十字架型，当然也有其他奇葩结构，比如工字型。

两种的力学模型稍微有些不一样，建议先从常规结构入手（其实是其他结构我不懂）。

常规十字型结构其他结构常规结构的力学模型如图。

力学模型对四轴进行受力分析，其受重力、螺旋桨的升力，螺旋桨旋转给机体的反扭矩力。

反扭矩影响主要是使机体自旋，可以想象一下直升机没有尾桨的情况。

螺旋桨旋转时产生的力很复杂，这里将其简化成只受一个升力和反扭矩力。

其它力暂时先不管，对于目前建模精度还不需要分析其他力，顶多在需要时将其他力设为干扰就可以了。

如需对螺旋桨受力进行详细研究可以看些空气动力学的书，推荐两本，空气螺旋桨理论及其应用（刘沛清，北航出版社）空气动力学基础上下册（徐华舫，国防科技大学）网易公开课：这个比麻省理工的那个飞行器构造更对口一些。

荷兰代尔夫特理工大学公开课：空气动力学概论以上这些我是没看下去，太难太多了，如想刨根问底可以看看。

解释下反扭矩的产生：电机带动螺旋桨旋转，比如使螺旋桨顺时针旋转，那么电机就要给螺旋桨一个顺时针方向的扭矩（数学上扭矩的方向不是这样定义的，可以根据右手定则来确定方向）。

根据作用力与反作用力关系，螺旋桨必然会给电机一个反扭矩。

在转速恒定，真空，无能量损耗时，螺旋桨不需要外力也能保持恒定转速，这样也就不存在扭矩了，当然没有空气也飞不起来了。

反扭矩的大小主要与介质密度有关，同样转速在水中的反扭矩肯定比空气中大。

因为存在反扭矩，所以四轴设计成正反桨模式，两个正桨顺时针旋转，两个反桨逆时针旋转，对角桨类型一样，产生的反扭矩刚好相互抵消。

并且还能保持升力向上。

六轴、八轴…类似。

我们控制四轴就是通过控制4个升力和4个反扭矩来控制四轴姿态。

11. 外形2.工作原理旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。

结构形式如下图所示。

对于姿态测量和控制来说，两种方式差别不大．对于姿测量和控制来说两种方式差别不大考虑到可能会使用图像相关传感器，为了使视线不被遮挡，所以大部分采用Ｘ模式。

飞行器运动方向行动方向“十”字模式“Ｘ”字模式四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。

四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。

微型飞行器的动力学模型如图所示飞行器载体坐标系，原点固定于飞行器的重心，以坐标轴，分别指向飞行飞行器载体标系原点固飞行器标别指向飞行器的前( 横滚轴)右( 俯仰轴) 和下( 偏航轴) 方向选取导航坐标系为参考坐标系，分别指向北东和当地垂线向下方向和分别代表飞行器受到转矩和升力图，四旋翼飞行器动力学模型四旋翼飞行器产生基本动作的原理为: 电机1和3逆时针旋转驱动两个反桨产生升力，电机2和4顺时针旋转驱动两个正桨产生升力．反向旋转的两组电机和桨使其各自对机身产生的转矩相互抵消，保证4个电机转速一致时机身不发生转动。

电机1和4转速减小( 增大) ，同时电机2和3转速增大( 减小) ，产生向前( 后)()同时电机()产生向前()方向的运动．电机1和2转速减小( 增大) ，同时电机3和4转速增大( 减小) ，()方向的运动()()产生向左( 右) 方向的运动．4个电机转速同时增大( 减小) 产生向上( 向下) 的运动．对角线的电机一组转速增大，另一组转速减小产生自身旋转运动。

3.四旋翼的基本组成：3.1电机、电调、正反桨、电池、机架、遥控、飞控。

3.2电机的种类：分为有刷和无刷两类。

有刷主要有空心杯和碳刷型的直流电机，主要是可以体积做到非常小，价格相对来说便宜。

最近一个月，在朋友傻鱼的帮助下，搭建起一套四轴飞行器。

鉴于四周飞行器、智能家庭之类的，都是各类Geek蛋疼而毫无创新的爱好，所以给各位分享下其中的一些基本概念。

作为扫盲帖，不含有任何高级内容，内行请直接略过。

先来个照片：首先谈谈四轴的原理，就是4个螺旋桨，对角的两个旋转方向相同，相邻的旋转方向相反。

顺时针转的叫反桨，逆时针转的叫正桨。

所以当他们转速相同时，就可以抵消旋转上带来的反作用力，不至于自己打转。

当然也就不需要直升机的尾桨了。

当然任何东西的制造都有误差，一套四轴飞起来以后，难免各个螺旋桨，机架的平衡等存在些问题。

所以安装后有个很必要的调试的过程，调试以后，过小的误差，就由飞控自己解决了。

也就是确保遥控器没有动作信号时，自己保持平衡。

鉴于四轴的复杂性，没有飞控基本别指望靠手来起飞。

分别讲各个配件吧。

**机架** ：就是个架子，用来把各种东西拼上去。

有不同的材料，价格差异也较大。

我买的是SK450，塑料的，比较重，相当的结实，至今没有摔坏。

追求高性能的可以选碳纤维机架的，会轻不少，比如X450、X600。

这里的数字是指轴距，比如SK450和X450的轴距就是450mm。

也就是对角线两个轴之间的距离。

机架上的电机安装座决定了你能安装什么样的电机，轴距决定了最大可以安装多大的桨。

450mm轴距的机架可以安装最大10英寸的桨。

一般初学时买个塑料机架玩玩就好，玩熟悉了可以依据动手能力酌情选择碳纤维或者自己做。

我一开始就是选择这样一个可以尽快飞起来的机架，毕竟系统的迭代要以第一次可运行为基础。

最近开始考虑自己做机架了。

SK450的一个腿的重量就有41克。

而最近发现买IC时带的IC管子，一根20cm的也才不到10克，硬度却是够用的。

105元。

**电机** ：这玩意讲究可就多了。

一般玩四轴的也就是22xx系列的规格。

我用的是朗宇的A2212-KV980。

2212是其尺寸规格，具体我就不列出了。

总之四轴常用的2208、2212。

四轴飞行器姓名：冯毅专业：自动化学号：13061315姓名：专业：学号：姓名：专业：学号摘要四轴飞行器作为低空低成本的遥感平台，在各个领域应用广泛。

相比其他类型的飞行器，四轴飞行器硬件结构简单紧凑，而软件复杂。

可应用于军事上的地面战场侦察和监视，获取不易获取的情报。

能够执行禁飞区巡逻和近距离空中支持等特殊任务，可应对现代电子战、实现通信中继等现代战争模式。

在民用方面可用于灾后搜救、城市交通巡逻与目标跟踪等诸多方面。

工业上可以用在安全巡检，大型化工现场、高压输电线、水坝、大桥和地震后山区等人工不容易到达空间进行安全任务检查与搜救工作，能够对执行区域进行航拍和成图等。

本文主要介绍四轴飞行器的一些原理，以及在领域的应用。

目录1.引言 (2)2.四轴飞行器的国内外情况 (2)2.1.四轴飞行器的主要生产公司 (3)3.飞行器的结构特性 (4)3.1.飞行器的构成 (4)3.1.1.硬件构成 (5)3.1.2.机械构成 (5)3.1.3.电气构成 (5)4.四轴飞行器的运动原理 (5)5.四轴飞行器的应用 (9)5.1.Dronenet应用 (10)5.2.Follow Me Box 的应用 (10)6.附录 (11)1.引言四轴飞行器最开始是由军方研发的一种新式飞行器。

随着MEMS传感器、单片机、电机和电池技术的发展和普及，四轴飞行器成为航模界的新锐力量。

到今天，四轴飞行器已经应用到各个领域，如军事打击、公安追捕、灾害搜救、农林业调查、输电线巡查、广告宣传航拍、航模玩具等，已经成为重要的遥感平台。

以农业调查为例，传统的调查方式为到现场抽样调查或用航空航天遥感。

抽样的方式工作量大，而且准确性受主观因素影响；而遥感的方式可以大范围同时调查，时效性和准确性都有保证，但只能得到大型作物的宏观的指标，而且成本很高。

不连续的地块、小种作物等很难用上遥感调查。

因此，低空低成本遥感技术显得相当重要，而四轴飞行器正符合低空低成本遥感平台的要求。

四旋翼飞行器结构和原理1. 结构形式旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向,四个旋翼处于同一高度平面,且四个旋翼的结构和半径都相同,四个电机对称的安装在飞行器的支架端,支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。

结构形式如图 1.1所示。

2. 工作原理四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速, 实现升力的变化, 从而控制飞行器的姿态和位置。

四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机,但只有四个输入力,同时却有六个状态输出,所以它又是一种欠驱动系统。

四旋翼飞行器的电机 1和电机 3逆时针旋转的同时,电机 2和电机 4顺时针旋转,因此当飞行器平衡飞行时, 陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。

在上图中,电机 1和电机 3作逆时针旋转,电机 2和电机 4作顺时针旋转,规定沿x 轴正方向运动称为向前运动,箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高,在下方表示此电机转速下降。

(1垂直运动:同时增加四个电机的输出功率,旋翼转速增加使得总的拉力增大,当总拉力足以克服整机的重量时, 四旋翼飞行器便离地垂直上升;反之,同时减小四个电机的输出功率,四旋翼飞行器则垂直下降,直至平衡落地,实现了沿 z 轴的垂直运动。

当外界扰动量为零时,在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时,飞行器便保持悬停状态。

(2俯仰运动:在图(b 中,电机 1的转速上升,电机 3 的转速下降(改变量大小应相等,电机 2、电机 4 的转速保持不变。

由于旋翼 1 的升力上升,旋翼 3 的升力下降,产生的不平衡力矩使机身绕 y 轴旋转,同理,当电机 1 的转速下降,电机 3的转速上升,机身便绕 y 轴向另一个方向旋转,实现飞行器的俯仰运动。

(3滚转运动:与图 b 的原理相同,在图 c 中,改变电机 2和电机 4的转速,保持电机1和电机 3的转速不变, 则可使机身绕 x 轴旋转(正向和反向,实现飞行器的滚转运动。

(4偏航运动:旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩,为了克服反扭矩影响,可使四个旋翼中的两个正转,两个反转,且对角线上的各个旋翼转动方向相同。