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四轴飞行器的原理与优化设计研究
作者：杨武帅王俊杰徐淑婉来源：《世界家苑》2017年第11期
摘要：当今社会，无人飞行器已经日益成熟化普及化了。而相比于其他固定翼飞行器，直升机式飞行器，多旋翼飞行器由于其自身可以垂直起降，易于制作易于操控，可完成各种姿态飞行等特点，已经像雨后春笋般涌现出来。而在多旋翼飞行器中我们会发现，四轴等偶数倍的多旋翼飞行器几乎占据了100的市场。这也是因为偶数倍的多旋翼飞行器其易于制作，原理简单等原因。但在实际应用中，如果对其没有充分的优化，其飞行时的抗干扰能力和适应能力仍然不是非常理想。在此文中。我们将以四轴为代表仔细分析其工作原理，并尝试对其进行进一步的优化设计。
关键词：多轴飞行器；稳态
作为飞机的一种，四轴飞行器因为它的四角有四个对称的螺旋翼而得此名。四轴飞行器的体积一般都比较小，所以它操作简便而且灵活度高。可以进行垂直起降，俯仰运动，滚转运动，偏航运动。除此之外高度可拓展性强价格便宜也是四轴飞行器的优点。在机身上可以按照摄像头，武器，等各所需要的外设。在实际应用中，在军事方面四轴飞行器可用于代替士兵进行侦查探测、攻击、警戒等任务。四轴飞行器也将迎来一个更高速发展的时代。
一、四轴飞行器工作原理
由于多旋翼飞行器均是由电机作为动力源，而电机转动会对设备产生自转。所以四轴飞行器将其电机放置在机身的四周个顶端，且都在同一高度平面上，四个旋翼其结构完全相同，中间的空间用来安放飞控芯片和电子设备。在正常情况下四轴飞行器一条轴上的逆时针旋转的同时，另一条轴的顺时针旋转，所以当飞行器飞行时，自转效应将被抵消掉。而改变四个电机的转速就可以实现四轴在各个方向上的运动。四轴飞行器是一种六通道的飞行器，其力的输入只有4个，却有6种飞行状态，所以它是一种欠驱动系统。在以下分析中，箭头的位置代表电机转速的变化。在旋翼上方表示增大转速，在旋翼下方则表示降低转速。其具体的六种飞行姿态分析如下：
11垂直运动
同时增大四个电机的转速，提升升力，当其产生的总的升力大于重力的时候，四轴飞行器即可离地上升；相反，同时减少四个电机的转速，四轴飞行器就会垂直下降。当不受外界的干扰情况时，电机所产生的动力与四轴飞行器的自重相等，其就能保持悬停。
12俯仰运动
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电机1的速度增加，电机3的速度下降（其变化量相等）。电机2和电机4的转r