APM飛控學習之路：2 四旋翼的工作原理與系統組成

        “一葉障目，不見泰山”。在研究四旋翼飛行器之前，有必要從整體介紹其工作原理、主要部件、技術名詞等基礎知識。不然就像羊入虎口，陷入一大堆不同層次的資料，難覓出口。接下我就拋磚引玉，儘自己所能，介紹四旋翼的工作原理和主要部件。餘雖不敏，然餘誠也。

工作原理

        四旋翼飛行器，通過4個對稱佈置的電機，改變螺旋槳的轉速，實現升力的變化，進而控制飛行器的姿態和位置。姿態具體指3個歐拉角：橫滾（Roll）、俯仰（Pitch）、偏航（Yaw）。位置具體指1個高度油門（Throttle）和2個位置（X和Y）。歐拉角是一種描述物體姿態的常見方式，廣泛應用於慣性導航、機器人等領域。爲了方便大家理解，在網上找了3個歐拉角的動圖，分別爲Roll、Pitch、Yaw，讓我們致敬製作者3秒鐘。

        橫滾：Roll，控制四旋翼左右運動。

        俯仰：Pitch，控制四旋翼前後運動。

        偏航：Yaw，控制四旋翼的朝向。

        無人機的姿態和位置共有6個自由度，每個自由度的控制如下圖所示。4個電機2個正轉（電機2和4），2個反轉（電機1和3），對稱佈置。電機正反轉配合正反槳，可使螺旋槳的風都往下刮以平衡重力，同時抵消因槳葉旋轉帶來的空氣阻力扭矩。由於輸入只有4個自由度，因此多出的2個自由度是不完全受控的，其中俯仰運動和前後運動耦合，滾轉運動和側向運動耦合。

        座標系：標準右手系。規定X軸正方向爲前向。螺旋槳的箭頭向上↑：電機轉速上升。螺旋槳的箭頭向下↓：電機轉速下降。

        (a) 垂直運動（Throttle）：4個電機均加大馬力，螺旋槳產生的升力大於重力，飛機便垂直上升。當升力與重力平衡時，飛機便懸停。懸停是考驗算法的重要一環，靠的是PID不斷反饋，調整轉速。

        (b) 俯仰運動（Pitch）：電機1加大馬力，電機3減小馬力，二者的變化量相同。1處升力變大，3處升力減小，重力仍保持平衡，但對Y軸產生一個力矩，機身繞Y軸旋轉，實現俯仰。

        (c) 滾轉運動（Roll）：與 (b) 原理相同，只是Y軸換成了X軸。

        (d) 偏航運動（Yaw）：電機1、3加大馬力，電機2、4減小馬力，二者的變化量相同。重力和繞X、Y軸的扭矩仍保持平衡，但要注意的是，根據作用力和反作用力原理，由於2個正轉的速度>2個反轉的速度，空氣阻力產生的扭矩不平衡了，使得機身繞Z軸旋轉，實現偏航。

        (e) 前後運動：與 (b) 耦合，機身繞Y軸旋轉一定角度後，使得升力沿水平方向有了分量，實現前後運動。

        (f) 側向運動：與 (c) 耦合，原理與 (e) 相同。

        如果有朋友接觸過麥克納姆輪，也稱“全向輪”，那就更容易理解四旋翼的工作原理了。麥克納姆輪通過4個對稱佈置的電機和輪盤，可實現車身水平任意方向的移動和原地旋轉，無比靈活。

主要部件

        以S500爲例，S500是一架入門級的四旋翼飛機，這裏的500指的是軸距（對角2個電機之間的距離），單位 ：mm。對於開源愛好者而言，如果想一站式玩四旋翼，在某寶上選購一架S500是個不錯的選擇。下面我就從上表出發，詳細介紹四旋翼的主要部件和技術名詞。

四旋翼本體

        四旋翼分2種模式，1種是+模式：飛行方向（機頭）與旋翼重合；1種是X模式：飛行方向（機頭）平分旋翼。

        +模式：直觀，簡單，驅動弱，調參容易。

        X模式：複雜，穩定，驅動好，調參麻煩。

        對於四旋翼，穩定和驅動是第一位的，調參可以站在巨人的肩膀上，因此一般採用X模式。

飛行控制器

        飛行控制器簡稱飛控，是無人機的大腦。目前主要分開源和閉源兩派，開源飛控的鼻祖來自Arduino，著名的WMC飛控和APM飛控都是Arduino飛控的直接衍生品，APM全稱ArduPilotMega，其中的Ardu代表的就是Arduino。APM飛控是目前成熟度最高的開源飛控，但由於容量和計算量有限，在不久的將來一定會被更強大的PIX4、PIXHAWK所超越，成爲一個時代的縮影。還有一些較爲初級的飛控，如KK、QQ、玉兔等，在這就不贅述了。閉源飛控主要由商業公司推出，如DJI的工業級飛控A2、A3，入門級飛控Naza系列，還有零度的S4、X4和雙子星GEMINI。值得一提是其中的雙子星，是國內首個雙餘度安全飛行控制系統。隨着安全性的重視和提高，冗餘度設計也將成爲無人機的標配。

螺旋槳

        4個螺旋槳，2正槳（順時針轉）2反槳（逆時針轉），正反槳的風都向下吹，正反的目的主要是抵消螺旋槳的自旋。安裝的時候，無論正反槳，有字的一面均向上。槳型中1045這4位數字，前2位10代表槳的直徑（單位：英寸inch），後2位45代表槳的角度（單位：度°）。

電機

        4個無刷電機，2正轉2反轉。2212這4位數字，前2位22代表電機轉子直徑，後2位12代表電機轉子高度，單位：毫米mm，注意均指電機轉子而非外殼。如果大家留心的話，電機外殼上一般會並註明這4位數字，除此之外，還會看到一個KV值，代表外加1V電壓時電機每分鐘空轉轉速。如“KV:900”代表外加1V電壓時，電機空轉時每分鐘轉900圈。常見的電機品牌有新西達（XXD）、朗宇（SunnySky）等，並且很多外殼上會有一串神祕字符：MADE IN CHINA。

電調

        說完電機說電調，電調和電機配套使用，是飛控和電機之間的橋樑。電調全稱電子調速器（Electronic Speed Control），負責將飛控的控制信號（PWM波）轉變爲電流的大小，進而控制電機轉速。除了明面上的轉換功能，還能承載電機所需的大電流，以及將11.1V轉爲5V供飛控和遙控模塊使用（BEC輸出）。電調的主要參數是電流輸出能力，單位A，如30A代表電調能提供的最大電流爲30A。常見的電調品牌有新西達（XXD）、中特威（ZTW）、好盈（HobbyWing）等。

電池

        一般爲鋰電池，因爲同等電池容量鋰電池最輕。大家可以看到有3個參數：3200mAh 11.1V 30c。和手機電池一樣，3200mAh代表以3200mA電流放電，可持續1小時。11.1V代表電壓，一般由3節標準鋰電池組成（3.7V×3=11.1V），相應標識爲3S。30c代表放電能力，在航模中是個重要參數，意味着可以3200mA×30的電流強度放電。說完了放電，還有充電，一般爲2c充電，即充電電流可爲3200mA×2。由於航模鋰電池採用多節標準鋰電池組成，而各節標準鋰電池之間存在充放電性能差異，因此充電器一般採用平衡充，避免某節電池過充。

遙控器

        主要分美國手和日門手，美國手的油門在左邊，日本手的油門在右邊。在四旋翼的控制中，一般採用美國手。怎麼判斷油門呢？很簡單，遙控器左右2個搖桿中，推上去不回彈的是油門。也很好理解，油門一般穩定在一個位置就好了，回彈的話飛手會流淚。遙控器中也有1個神祕數字，6代表6通道，即遙控器可控的動作路數。因爲四旋翼有4個自由度，所以遙控器至少需要4通道，剩餘的通道用於控制飛行模式等。

        至此四旋翼的主要部件和技術名詞介紹完畢，還有一些可選部件，如數傳、OSD、雲臺、相機、圖傳等，待大家入門後即可自行挖掘。最後附上一個Exciting的TED視頻，震撼你的眼球。拉菲羅·安德烈:四軸飛行器靈活的運動性。

        PS： 無人機系列的第2篇至此結束，接下來就會進入正題——APM飛控。欲知後事如何，且看下回分解。