四轴飞行器基础介绍篇

一、四轴飞行器硬件结构

四轴飞行器硬件主要包括机架、电机、电调、螺旋桨、主控板、姿态传感器模块（主要包括陀螺仪、加速度计、电子罗盘）、电池、电源板、遥控器与接收机、充电器以及根据飞行器要完成的特定的功能而搭载的其他器件如摄像头、光流传感器、超声波、气压计、GPS等。

图1-1 四轴飞行器硬件结构图

图1-2 四轴飞行器硬件结构图（实物对照图）

二、四轴飞行器软件结构

四轴飞行器软件依赖于上位机和下位机。上位机可以在手机端或者PC端，主要起到控制、监测、数据分析等作用。下位机则在飞行器的飞控板上，根据需要完成控制、测量、编队、通信以及控制飞行器执行其他任务。

上位机主要需要编写地面站，比较常用的编程语言是C、C++、C#、QT、MATLAB、LABVIEW、Delphi等。

下位机如果需要完成更加复杂的任务的时候需要编写嵌入式操作系统。一般需要编写的基本的程序包括驱动程序、控制程序、通信程序和其他任务执行程序。驱动程序主要是控制板底层的一些驱动程序，也包括驱动电机以及其他外设的驱动程序；控制程序是整个系统的核心程序，主要包括姿态控制、高度控制、导航控制、避障、编队等；通信程序主要包括飞行器与飞行器之间的通信以及飞行器与地面站的通信；其他任务执行程序则根据要实现的具体的功能而异，例如航拍、监测、跟踪、测量等。

图2-1 四轴飞行器软件结构示意图

三、四轴飞行器基本原理

根据电机分布的位置，常见的四轴飞行器类型有以下几种：

1. 四轴“十”模式，四个电机呈十字分布，对头方向是M4电机方向；（M代表电机，箭头代表电机旋转方向）

图3-1

2. 四轴“X”模式，四个电机呈X形分布，对头方向是M4和M2的中间点

图3-2

3. 四轴“Y”模式，M1和M3电机正反安装在同一个中轴上，对头方向是M4和M2的中间点

四轴飞行器是在空气中飞行的飞行器。为了获得廉价的动力，它只能利用空气动力，不能像火箭一样飞行。所以四轴飞行器的动力、偏航的动作只能依靠与空气的作用来实现。如图3-4是四轴飞行器的力学简化图（四轴飞行器有两种模式，这里只举其中一种为例）

图3-4 四轴飞行器简化力学图（http://my.oschina.net/u/1585857/blog/388454）

图3-4中的F₁、F₂、F₃和F₄的大小由桨的转速决定。转速越大力越大，转速越小力越小，这样通过控制四个力的大小变化就可以实现四轴飞行器的前进、后退、转向（偏航）和旋转。

图3-5 四旋翼飞行器沿各自由度的运动

（http://zhan.renren.com/niuneine?gid=3602888498032410217&checked=true）

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3-5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3-5（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3-5 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。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图3-5（d）中，当电机 1和电机 3 的转速上升，电机 2 和电机 4 的转速下降时，旋翼 1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、电机3的转向相反。

（5）前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图3-5（e）中，增加电机 3转速，使拉力增大，相应减小电机 1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图3-5（b）的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。（在图3-5（b）图3-5（c）中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿 x、y轴的水平运动。）

（6）倾向运动：在图 f 中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

（该部分内容转自网络：

http://zhan.renren.com/niuneine?gid=3602888498032410217&checked=true）

四、四轴飞行器部件介绍与选型

1. 遥控器

遥控器主要用来控制飞行器的飞行和调试飞行器。

首先，了解一下遥控器的几个主要的术语：

（1）通道。通道就是遥控器可以遥控的路数，例如控制飞行器上下飞行需要一个通道，控制飞行器左右飞行需要一个通道等。一般，四轴飞行器需要控制上下、左右、前后、旋转，所以至少需要有4个通道的飞行器。

（2）日本手，美国手。根据遥控器上油门的位置可以区分为美国手和日本手。油门在左边的是美国手，油门在右边的是日本手。遥控器一般有两个摇杆，上下摇动摇杆，如果摇杆能够回中则是油门摇杆。美国手：左手油门/方向，右手副翼/升降；日本手：右手油门/副翼，左手升降/方向。

（3）油门。遥控器通过控制油门，实际上是控制供电电流大小，来调整飞行器的飞行高度和力量。电流越大，飞得越高，力量越大。

市场上遥控器品牌很多，一般有JR、天地飞、华科尔、Spektrum等。新手推荐天地飞2.4G系列的遥控器（天地飞6A或天地飞7）.

2. 飞控之开源飞控

开源飞控即开放源码的飞控。使用者可以在飞控上二次开发，实现特定的功能。

网上有很多的开源飞控。国内外的开源飞控有：

（1）KK飞控。法国的开源项目。优点：调试简单，价格便宜。缺点：功能简单，不能自稳，不能定高，不能姿态控制，不含GPS模块。

（2）MWC飞控。MWC即MultiWiiCopter的缩写。是当前国内外开源飞控市场上占有率最高的几个产品之一。MWC固件使用Arduino IDE来编写。MWC是通用的开源固件，有低配版到高配版。优点：高配版可实现自稳，定高，姿态控制。缺点：调式复杂，基本上商家不提供技术支持。

（3）APM飞控。也是通用的开源固件。是当前国内外开源飞控市场上占有率最高的几个产品之一。类似于MWC飞控。APM飞控能够支持固定翼、直升机、三轴、四轴、六轴飞行器。优点：可实现自稳、定高、姿态控制，支持地面站、PC控制。缺点：调试复杂。

（4）匿名飞控。匿名是国内的一家开源飞控公司。主要做的是小四轴的飞控，其使用的是STM32系列的系统板。尽管代码没有其他开源飞控那么强大，但是很适合初学者入门和学习。匿名飞控有自己的技术支持群和网站，可以在其网站上下载到各个版本的开源代码，而且还有自行开发的地面站，界面友好实用。优点：适合入门，能够实现一些基本功能，价格较便宜。缺点：还不够稳定。

在网上还可以找到其他各种开源飞控，如QQ飞控、玉兔飞控、Paparazzi(PPZ)等。

3. 飞控之商品（闭源）飞控

（1）零度飞控。零度飞控是过内零度智控公司开发的闭源的飞控。零度智控是国内几个有代表性的无人机公司之一。零度飞控使用手机芯片，充分利用了智能手机蓬勃发展所带来的各种好处。优点：有自稳、定高、姿态控制等功能，而且调试简单，操控难度小。缺点：闭源，贵。

（2） DJI飞控。大疆（DJI）飞控是大疆创新科技有限公司的产品。DJI是全球领先的无人飞行器控制系统及无人机解决方案的研发和生产商。DJI在欧美有大量高端用户。优点：基本上具备了飞控的所有功能。缺点：贵。

（3）极飞飞控。极飞（XAIRCRAFT）同样是国内的有代表性的几家无人机公司之一。成立于 2007 年,致力于民用无人飞机和飞行控制系统的研发和制造,是无人机行业领跑者和国内领先的商用无人机研发企业。极飞公司在农业领域表现的非常出色。作为一款商业飞控，极飞飞控同样是闭源的。优点：基本上具备了飞控的所有功能，而且稳定，抗干扰能力强。缺点：贵，但比DJI的便宜。

在网上还可找到其他的商业飞控，如华科尔、亿航等。

4. 飞控之开发飞控

随着无人机特别是四轴飞行器的市场逐渐被打开，无人机越来越普及，网上出现了大量的开源飞控项目，无人机爱好者或者研发者有了更多的学习资源。对于有一定编程经验和嵌入式开发经验的人，可以购买单片机系统板自行制作飞控。目前，常用的单片机有51、Arduino、STM32、Atmega、K60等。由于许多开源飞控使用的是stm32、Atmega、Arduino，所以这几款芯片的飞控资料比较多。而由于stm32是ARM架构的，并且处理速度更快，所以stm32是自行开发飞控比较合适的选择。

5. 机架

机架从材料来讲，一般有木材的、PVC管的、铝合金的、玻纤的、碳纤的。而从尺寸来讲，如果是迷你四轴的话，一般是PCB板直接作为机架，而一般的四轴尺寸有250、330、450、550和650（大小表示对角距离，单位为mm）。一般选用450机架。

6. 电机/电调/桨

电机分为有刷电机和无刷电机。迷你四轴一般用的是有刷电机，有刷电机力度比较小，一般的四轴要使用无刷电机。常见的品牌有新西达、朗宇、银燕、大疆等。

对于无刷电机来说，有以下几个重要的参数。

（1） KV值。KV值是外加1V电压对应的每分钟空转转速。例如：1000KV电机表示外加1V电压，电机转1000转。一般，KV值越大，速度越快，但是力量较小，反之亦然。

（2）尺寸。一般无刷电机的型号会写2212、2018等。这些数字代表了电机的尺寸。前面2位数字表示的是电机转子的直径，数字越大，电机越肥；后面的2位数字表示的是电机转子的高度，数字越大，电机越高。

电调，即电子调速器。电调的作用是将飞控板的控制信号转变为电流的大小，以控制电机的转速，同时电调还起了变压器的作用，将电源压稳定为较低的电压值（通常是3.3V或者5V）来提供给飞控板和其他传感器。电调品牌有好盈、银燕、大疆等。价格不同，质量不同。电调有以下几个重要的参数。

（1）输出电流。主要的输出电流有10A

（2）电池节数。一般电调上会写明适用的电池节数。如2～3S表示适用于2到3节的电池。

（3）其他还包括是否可以编程、是否具有电压保护功能等。

桨。桨分为正桨和反桨，需要安装到正确的电机上面飞行器才能飞行。桨一般有两叶桨和三叶桨。桨的材料一般有碳纤维、APC、碳尼龙等。桨的选型主要看桨的直径和螺距（桨度）。一般桨上面会标有尺寸，例如1045前面两位数字表示直径为10英寸，后面两位数字表示螺距为45。

一般，在选用电机、电调和桨的时候要综合考虑。螺旋桨越大，升力越大，电机的KV值需越小。反之亦然。如果不是很清楚的话，一般建议常见的配置。

7. 电池/充电器

选择电池的时候主要看三个参数，电压值、电池容量、电池节数、电池充放电能力等。如电池参数为11.1V 2200mAh 3S 20C，意思是电池额定电压11.1V，电池容量2200mAh，电池节数为3节，电池放电能力为20C。C数是一个电流值也是一个比例值。C 数越高表示电池的放电能力越强。对于这里的参数来说，20C表示这个电池可以以最大电流“20倍乘以2200mAh”来持续放电。

对于充电器的选择，一般选择平衡充，对电池有保护作用。

8. 传感器

飞行器上的传感器主要有姿态传感器，高度传感器以及其他传感器。

姿态传感器一般包括陀螺仪、加速度计和电子罗盘。不同型号不同厂家的传感器质量和精确程度不一，具体得看产品数据手册。网上也有卖一些集成的模块，如6轴传感器模块、9轴传感器模块等。

高度传感器用来测量高度以实现定高功能或者测量功能等。一般室内使用超声波作为高度传感器。通用的可以使用气压传感器。超声波传感器比较精确，但是有角度限制且容易被干扰。而气压计精度没有那么高，但是限制较少。在室外还可以使用GPS传感器。而室内，比较高端的还可以时候视觉处理来得到高度。

其他传感器有摄像头、光流等。主要是用来航拍、导航、定点等。

五、引用参考

本文档包含了自己组织撰写的部分，同样也包含了大量的网上的资源。以下链接为本文档编辑过程中引用到的网络资源的链接。所有引用的资源版权属于原作者。

1. 四轴飞行器基础篇http://www.guokr.com/post/452422/

2. 四轴飞行器-概念扫盲

http://wenku.baidu.com/link?url=Y2eIOL5DJJthaaB64DJIhD0UH3wQezmsieIs22xkAbcxS6SJDcoXfwhQnAsCCIb6Ev3v9jOyAD-QudGOuYlu8plivscLtqq7-1QbM9dC8qW

3. 四轴飞行diy全套入门教程（从最基础的开始）

http://bbs.mx3g.com/thread-191341-1-1.html

4. 四轴飞行器简介

http://wenku.baidu.com/link?url=8EHKxIvee6myMvHb70294br2PAqELrO4LqflgEfVpYeSlRtvt8zMQskZNo0jHPe-VSqwjykKt_-OsHpdZNzIv4gIipHOr-_iJfSpO3OL-AO

5. 四轴飞行器的原理和组成http://my.oschina.net/u/1585857/blog/388454

6. 四旋翼飞行器基本知识（四旋翼飞行器结构和原理+四轴飞行diy全套入门教程）

http://blog.csdn.net/jbb0523/article/details/24198505

7. 四轴飞行器DIY入门篇一：主要部件介绍及选购http://post.smzdm.com/p/78560/

8. KK、玉兔、MWC等飞控的比较和选择

http://www.123kuai.com/index.php?m=content&c=index&a=show&catid=10&id=66

9. APM飞控系统详细介绍

http://www.123kuai.com/index.php?m=content&c=index&a=show&catid=10&id=28

10. 各类型飞控对比

http://wenku.baidu.com/link?url=gG2ZTnX-F2GvJUPqimxWygbHjCyCwq0D19yV_t7ChsezTMdXM4Vvcu8RkPwS9m_Hy9AVZsjtyGBqR5fSU_MIeNS_r7AeTETfbDowztn6ziC

11. 航模电池常识

http://wenku.baidu.com/link?url=dBjMoUbehbr1MYviE2j7_Q7mqPL4G7x3ajT6wXHS3JS3A0feLzhOZ0xcAk4iO7tT69bpadjn2a47ioMHu7bN_2D8r3wH9KKd55RC01hnJu3

12. 常用螺旋桨的参数

http://wenku.baidu.com/link?url=46N-CwN9IzWJDDYf6sReTgn2vButAKbjH2UTgXjkyp38_bHBR9RtWI3-xNBiIediO4S-i20pfek41sQdf1iuugMfg9KPGsFz43inlV8rbl3

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