四旋翼飞行器——飞行器世界里的“精灵”

　　出品：科普中国

　　制作：北航飞天科普创意团队

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　一个21世纪的“精灵”

　　四旋翼飞行器是《时代》杂志2014年度评选的十大科技产品之一，是汪峰“头条”事件里的牵线红娘。

　　现在的四旋翼飞行器看起来风光无限，但它也曾消沉失意。过去的四旋翼飞行器身轻体弱、走不了长路、负不起重物。相比走“硬汉”风的飞行器家族，四旋翼飞行器一度饱受白眼。

　　从认清自己开始，四旋翼飞行器的命运出现了转机。

　　认清自己

　　为了认清自己，四旋翼飞行器配备了两只功能强大的眼睛：一只能看清自己的“位置”，知道自己是在黄山还是泰山，这就是自带的GPS定位系统；另一只能看清自己的“姿态”，就是知道自己是“坐着”、“躺着”，还是“倒立”，这就是陀螺仪。这两只眼睛还要和“加速度计”配合使用，才能更准确地知道自己的姿态和位置，以及姿态和位置的改变情况。

　　图2 四旋翼“心里的双眼”：GPS和陀螺仪

　　所谓GPS定位系统即全球定位系统（Global Positioning System），是一种以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的无线电导航定位系统。它由三部分构成：一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成；二是空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面；三是用户装置部分，由GPS接收机和卫星天线组成。四旋翼飞行器身上安装的就是用户装置部分。

　　陀螺仪又叫角速度计，就是通过一个不断旋转的陀螺记录“姿态”。它的原理跟小时候玩的抽陀螺一样，陀螺一旦转起来，即使地面是斜的，陀螺还是会保持垂直旋转，具有“定轴性”，我们可以假定这个姿势是“坐姿”。当四旋翼飞行器“躺下”时，便与坐姿产生了一个夹角，但陀螺仪依然会沿着“躺姿”的轴继续高速旋转，具有“进动性”。利用安装在陀螺仪上的传感器就可以知道这个夹角的大小和方向，从而确定“姿态”的变化。