[科普中国]-四旋翼

简介

四旋翼直升机，国外又称Quadrotor，Four-rotor，4 rotors helicopter，X4-flyer等等，是一种具有四个螺旋桨的飞行器并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构，相对的四旋翼具有相同的旋转方向，分两组，两组的旋转方向不同。与传统的直升机不同，四旋翼直升机只能通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作（目前，也出现可以改变螺距的四旋翼飞行器，这种控制方式比改变电机转速更灵活方便）。1

在大学里，一些对四旋翼直升机感兴趣的大学生将数学算法运用到机器当中，创造出了极富智能的四旋翼直升机，TED讲坛中有所诠释。优酷搜索“TED - 红遍全球的的炫酷飞行器”。

四旋翼飞行器结构和原理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，四个旋翼的结构和半径相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间安放飞行控制计算机和外部设备。

四旋翼飞行器一般是由四个可以独立控制转速的外转子直流无刷电机驱动的螺旋桨提供全部动力的飞行运动装置，四个固定迎角的螺旋桨分别安装在两个十字相交的刚性碳素杆的两端。对于绝大多数四旋翼飞行器来讲，飞行器的结构是关于两根碳素杆的交点对称的，并且两个相邻的螺旋桨旋转方向相反；正是由于这种独特结构，使四旋翼飞行器抵消了飞机的陀螺效应。

工作原理通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，进而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼是一种欠驱动系统，是一种六自由度的垂直升降机，四个输入力，六个状态输出。

垂直飞行控制：控制飞机的爬升，下降和悬停。图中蓝色弧线箭头方向表示螺旋桨旋转的方向，以下同。当四旋翼处于水平位置时，在垂直方向上，惯性坐标系同机体坐标系重合。同时增加或减小四个旋翼的螺旋桨转速，四个旋翼产生的升力使得机体上升或下降，从而实现爬升和下降。悬停时，保持四个旋翼的螺旋桨转速相等，并且保证产生的合推力与重力相平衡，使四旋翼在某一高度处于相对静止状态，各姿态角为零。垂直飞行控制的关键是要稳定四个旋翼的螺旋桨转速使其变化一致。

横滚控制：如图所示，通过增加左边旋翼螺旋桨转速，使拉力增大，相应减小右边旋翼螺旋桨转速，使拉力减小，同时保持其它两个旋翼螺旋桨转速不变。这样由于存在拉力差，机身会产生侧向倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，使机体向右运动，当2,4转速相等时，可控制四旋翼飞行器作侧向平飞运动。

俯仰控制：在保持左右两个旋翼螺旋桨转速不变的情况下，减少前面旋翼螺旋桨的转速，并相应增加前面旋翼螺旋桨的转速，使得前后两个旋翼存在拉力差，从而引起机身的前后倾斜，使旋翼拉力产生与横滚控制中水平方向正交的水平分量，使机体向前运动。类似的，当1,3转速相同时可控制四旋翼飞行器作纵向平飞运动。

偏航控制：四旋翼飞行器为了克服反扭矩影响，四个旋翼螺旋桨中的两个逆时针旋转，两个顺时针旋转，对角线上两个螺旋桨上的转动方向相同。反扭矩大小与旋翼螺旋桨转速有关，四个旋翼螺旋桨转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起机体的转动。因此可以设计四旋翼飞行器的偏航控制，即同时提升一对同方向旋转的旋翼螺旋桨转速并且降低另一对相反方向旋转的旋翼螺旋桨转速，并保证转速增加的旋翼螺旋桨转动方向与四旋翼飞行器机身的转动方向相反。2

机翼特点四个旋翼作为飞行的直接动力源，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。

应用四旋翼飞行器在军用领域中的应用状况分析四旋翼飞行器采取的是轮式起降技术以及组合导航模式等策略，对抗空中气流冲击时的动力性极强，且具备极佳的反监视、抗信号侦测干扰等优势。基于此，四旋翼飞行器在世界军事领域中的应用较为广泛，在多用途无人机系统平台的操纵下，能够圆满完成地形勘测等多项军事任务。与常规旋翼飞行器如传统布局的直升机等相比，四旋翼飞行器结构更为紧凑，动力利用效率高，并且，四只翼扭力矩可相互抵消，不需专门的反扭矩旋翼，便于实现微小型化，特别适合在近地面环境（如室内、街巷和丛林中）执行监视、侦察等任务，具有广阔的军事前景。此外，四旋翼飞行器在操作过程中十分便捷，且该设备在维护方面的成本较低。3

四旋翼飞行器在民用领域中的应用现状分析在最初，四旋翼飞行器凭借其机身小、动力足等优势，在世界范围内的军用领域中得到了广泛应用，发展至今，四旋翼飞行器已经在民用领域中屡见不鲜，是国内外各主要地区开展医疗救助、特殊地区资源运载等工作的主要设备。在2013年4月20四川芦山地震灾区宝盛乡的金鸡峡谷3公里塌方带上，国土资源部应急地质灾害技术指导中心张斌教授带领的队伍用先进的四旋翼无人飞行器在整个金鸡峡进行两次长达20多分钟的航拍，全面了解金鸡峡地区山体上滑坡、掉石情况。这个无人机只有3公斤重，一个箱子就能带走。操作简单，飞行高度1000米以下，飞行距离可以超视距，坐在指挥车上，山上的情况通过高清画面直接传回，双向视频传输，特别方便沟通交流。另外，四旋翼飞行器在我国教育领域中的应用也逐渐推广开来，为学生科研项目小组的构建提供优秀的研究素材，广大年轻学生及业界专家学者一直在持续进行针对四旋翼飞行器设备性能提升等方面的研究与实践。3