四旋翼无人机飞行原理在固定翼飞机中的应用

曹著明 刘任如歌/北京电子科技职业学院

四旋翼无人机虽然没有舵机，但是却可以像遥控直升机一样垂直起降，并且能轻松地在原地转向和向各个方向飞行、进行翻滚，有一些机型甚至可以像6通道特技直升机那样能进行倒飞，原因在于四旋翼无人机的飞控可以通过电子调速器控制四个电机的转动速度甚至转动方向，四旋翼无人机利用四个电机的速度差充当对升降舵和副翼舵通道的控制。

四旋翼无人机一般由接收机、电子调速器、飞控系统、传感器、1块电池、4个电机和螺旋桨以及一套塑料机身拼装而成，技术简单，易于大批量生产，进入我国市场后很快受到多家厂商青睐，纷纷生产此种机型，其中，微型四旋翼无人机因具有可在狭小室内环境飞行和轻巧易操作适合新手使用的优点而广受消费者追捧。可以预见，固定翼模型如果也具有上述优势将如前者一样拥有市场。

四旋翼无人机飞行原理

俯仰、横滚飞行原理

四旋翼无人机没有舵机，却能像遥控直升机一样垂直起降，轻松地在原地转向和向各个方向飞行、进行翻滚，部分机型甚至可以像6通道特技直升机那样倒飞，这是因为四旋翼无人机的飞控可以通过电子调速器控制四个电机的转动速度甚至转动方向，四旋翼无人机利用四个电机的速度差充当对升降舵和副翼舵通道的控制，使飞行器能够向各个方向飞行，四个电机围绕在飞行器的重心四周，当一个或多个方向的电机转速加快时，飞行器重心所受的合力就偏向于转速加快的电机相对于重心的反方向，使飞行器朝该方向飞行；相反，当一个或多个电机的转动速度减慢时，重心所受的合力就偏向于速度减慢的电机相对于重心的位置，使飞行器朝该方向飞行。

图1 十字布局四旋翼无人机飞行原理

偏航飞行原理

常规直升机存在螺旋桨带来的反扭矩，为了平衡需要尾部螺旋桨（这类直升机通常被称为正常布局的直升机）或再增加一个相同大小的螺旋桨（布局方法有串列双浆布局、并列双桨布局、共轴反桨布局等），而四旋翼无人机四个螺旋桨中两个向左转动，两个向右转动，恰好抵消了反扭矩；而且，与遥控直升机一样，四旋翼无人机的原地转向也是通过控制方向舵通道来进行的，但不同的是四旋翼无人机的转向是利用了对反扭矩的控制而实现，即同时加快以顺时针转动的两个螺旋桨或减慢以逆时针转动的两个螺旋桨的转动速度，则向逆时针旋转的反扭矩会增加，使飞行器向逆时针方向旋转，同理，若加快以逆时针旋转的两个螺旋桨或减慢以顺时针转动的两个螺旋桨的转动速度，飞行器会向顺时针方向旋转，飞行原理如图1所示。因此，四旋翼无人机不需依靠舵机即能像遥控直升机一样飞行，这种仅通过控制电机转速来调整飞行姿态和控制飞行动作的原理也有可能同样适用于固定翼飞行器的飞行。

运用四旋翼无人机飞行原理的固定翼飞行器

飞行器外观

从上海交通大学和法国派诺特公司的研发经验、成果与产品可以看出，四旋翼无人机的原理有望应用于固定翼飞行器。

设想将一个四轴飞行器绕着俯仰轴向地面旋转90°角，使机头的延长线和四个螺旋桨转动所形成的平面垂直于地面，做一条经过飞行器重心并分别垂直于地面和螺旋桨平面的直线，平行于该直线和地面在机身上固定上在一定速度的空气流过表面或在倾斜一定迎角的情况下有一定速度的气流流过表面能产生一定的升力的机翼，在此基础上还可以加上尾翼，成为一架与四旋翼无人机和固定翼飞行器都有相似之处的飞行器，如图2所示。

飞行原理简述

图2 此种飞行器结构示意图

图3 飞行器的布局及飞行原理示意图

这种飞行器在四个螺旋桨都高速旋转时可以直线飞行，（从螺旋桨平面向四旋翼无人机机腹方向）在两个顺时针旋转的螺旋桨都加快转速或两个逆时针转动的螺旋桨减速时，飞行器受到的反扭矩方向以刚才所作直线为轴向此时飞行器右侧倾转，飞行器就能向右侧横滚；同理，若加快两个逆时针旋转的螺旋桨或者减慢两个顺时针转动的螺旋桨的转动速度，飞行器则向左侧横滚，如图3中下排“向左横滚”“向右横滚”所示。

如图3中上排“爬升”“俯冲”所示，使飞行器俯仰的方法是通过改变机翼上下两个螺旋桨的转动速度实现：使安装在机翼上两个螺旋桨的转速加快或机翼下两个螺旋桨转速减慢时，飞行器所受合力向下，于是飞行器下降，若机翼下两个螺旋桨的转速加快或机翼上两个螺旋桨转速减慢时，飞行器上升；通过螺旋桨转速差也可以使飞行器水平转向，即偏航，可以增加机身一侧的螺旋桨转动速度（或降低另一侧的螺旋桨转速），飞行器所受的合力就偏向于相反一侧（或相同一侧），飞行器向所受合力方向偏航，如图3中下排“向左偏航”“向右偏航”所示。

飞控匹配与参调

飞控的选择

由于这种飞行器的飞行原理类似于固定翼飞行器，通过机翼产生升力，而飞行姿态调整的原理类似于四旋翼无人机，凭借速度差和反扭矩进行飞行姿态的调整，因此，本文采用一种在四旋翼无人机上使用的CC3D飞控作为此试验飞行器的飞控，并通过改变或调整其原有程序，使之适应该机的飞行级飞行姿态调整原理。

直接使用飞控的弊端分析

该机的飞控程序相当于将飞行器横滚和偏航程序的位置进行调换。在实际使用过该飞控后发现，原先飞控程序的四旋翼无人机模式是当检测到高度变化时改变所有电机的转动速度，当检测到飞行器倾斜时改变倾斜方向或反方向电机的转速（也有可能都改变），当检测到飞行器在水平转动时随之改变一对转动方向飞控相同的电机的转速，而飞行器在水平移动而不倾斜时飞控无反应；由于希望当飞控检测到飞行器进行俯仰时改变（指四旋翼无人机模式，下同）前后两侧中一侧的两对螺旋桨的转速，与原有程序相同，检测到飞行器横滚时改变一对转动方向相同的电机的转速，当检测到偏航时改变左右两侧中一侧的螺旋桨的转动速度。若飞控按照原程序运行，当飞控检测到飞行器在横滚轴上有所倾斜，飞控会命令将其中一侧的电机加速转动，飞行器会向一侧转向；如果飞行器在绕着航轴转动（即不由自主的转向），飞控会命令两个转速相同的电机加速以产生反扭矩进行矫正，然而飞控并不了解现在的反扭矩决定了飞行器的横滚而不是偏航（左右水平转向），于是飞行器向一侧滚转，进入螺旋而坠机，故此时如维持原来的飞控程序，不仅不能解决横滚的矫正，不能自稳，还会令飞行器更容易坠机，更不适合初学者的飞行，即使熟练的飞行器操作手也难以适应。

参调飞控

本文使用的飞控是2016年四旋翼无人机上所使用最简单和便宜的飞控，它唯一的传感器是一个陀螺仪，打开电脑上的飞控参调软件后发现通过遥控器控制的通道可以改变，而不能直接改变飞控根据飞行姿态的变化而做出的反应，根据内置程序，认为可通过调整“稳定性”（该栏原软件注明为“stabilization”，界面右边从上往下数第6个方形按钮）或者“姿态”（该栏原软件注明为“attitude”，在“stabilization”下第一个按钮）的栏目内选项来尝试，并由实验检验其调整效果。实验方法为将4个电机固定在一个由积木搭成的、可以多角度转动的实验平台上，通过调整参数启动电机并通过发射机进行操作或倾斜、扭动飞控以模拟飞行时的姿态变化，同时观察4个螺旋桨的转动情况和平台的倾斜或旋转的方向和快慢。

尝试改变“稳定性”栏目中的“速率”（原选项注明为“rate”）选项后再通过发射机启动电机，发现倾斜或水平转动飞控后各电机的转动情况并未发生变化，将选项还原，再将“稳定姿态（内循环）”和“稳定系数（外循环）”对话框中“横滚”的“成比例的”及“积分”分别调成“0”后实验发现，“稳定系数（外循环）”的参数与飞控在倾斜或水平转动的反应有关，而“稳定姿态（内循环）”的参数与发射机上的操作有关，若将前者的参数设置为“0”通过发射机操纵将无反应，可见该栏目内的选项无法使飞控按照设想运行。

随后，又尝试了改变“姿态”栏目中的选项。该栏目中共有4个设置选项，一个用于重置陀螺仪，另外三个可以改变俯仰、横滚、偏航的角度微调。调整俯仰角度的参数至“-90”后打开电机，按照偏航轴倾斜并按照横滚轴进行扭动飞控，发现倾斜时两个旋转方向相同的电机加快转速，产生反扭矩，矫正横滚，扭动时其中一侧的电机加速转动，使实验平台受到水平方向与扭动方向相反的合力，矫正了偏航；但此时下置的两个电机转动速度总是高于上置电机转速，导致实验平台总是绕俯仰轴向后偏转，原因是飞控默认了此时实验平台（可看作飞行器）的前面为陀螺仪的下方，因此如果飞行器使用这样的飞控程序，会在起飞后立即垂直爬升，最后失速坠机，作者曾将这样的飞控程序在一台试验样机上使用，验证了这一结果，虽然加装了向下偏转的水平位移试图使之正常飞行，仍然坠机，可见“姿态”栏中所设置的参数确实有可能按照所设目的而改变，可能先要进行某种设置后再将飞控中的“俯仰”设置调成“-90”才能达到效果。之后进行了多次飞控调整和实验，既然飞控底部为陀螺仪下方时进行上述调整能使飞控前方为陀螺仪下方，若想要在上述调整后仍使飞控底部为陀螺仪下方，那么若使初始状态下陀螺仪的下方是飞控前方，则进行上述调整后飞控的陀螺仪下方即是飞控底部，符合设想，另外，如前所述，飞控对偏航轴的扭动与横滚轴的倾斜将会被矫正，这也符合设想。于是，将飞控以飞控前面为陀螺仪下方校准并将“俯仰”调整设置成“-90”后，效果果然与设想相同。此时，发现飞控在绕横滚轴倾斜时，它会认为发生了绕偏航轴的扭动从而命令两个旋转方向相同的电机加快转速，产生反扭矩，矫正横滚；而飞控在绕偏航轴扭动时，会认为发生了绕横滚轴的倾斜，从而使其中一侧的电机加速转动，使实验平台受到水平方向与扭动方向相反的力，矫正了偏航。以上即是该飞行器使用CC3D飞控程序调整的设想。

机身布局与电子设备的选择

布局参考

这类飞行器的结构与正常的四旋翼无人机和固定翼飞行器存在一些相似之处，也可以说是两者的结合体，既拥有源于四旋翼无人机的四螺旋桨布局，又拥有固定翼飞行器的机翼和重心在机翼的中性点之前配平方式，前述上海交通大学和法国派诺特公司研制的此类飞行器的布局方式可以用于借鉴，前者研制的飞行器用于追捕“黑飞”无人机（违法飞行的无人机），采用双翼无尾布局，上下两片机翼上各安装两台电机，并都有一个位置相同的气动中心，中间是固定捕捉网的连接杆，早期试验机的飞控安装于连接杆上，后期型号的飞控与其他机载设备一起安装于两个机翼之中，使用大推力无刷电机获得极高的航速，技术较为成熟，可实现垂直起飞、悬停和水平飞行；后者则是用于娱乐的微型玩具无人机，采用X型机翼无尾布局，4片机翼连接在装满了电子设备的机舱中，空心杯电机倾斜地安装在各机翼的末端，虽然可以和前者一样垂直起飞并悬停，但不能水平飞行，只能以一定的机翼迎角向前飞行，由此可见，这类飞行器一般没有尾翼的原因可能与垂直起降的起飞方式有关。

机载电子设备选择

图4 试制飞机

四旋翼无人机

作者试制的飞行器由于没有垂直起降功能，最初采用了有尾单翼常规布局，使用50g手抛玩具飞机作为机身，4个“kingkong100 GT1103，7800KV”无刷电机和4个银燕6A电调安装于机翼上下的支架上，其他电子设备安装在机身内部，包括CC3D飞控、乐迪R9DS接收机、35g500mA时锂电池和电压降低模块或带有电压降低功能的分电板。

结束语

经作者试飞，结论是电机采用KV值较大的电机，推力较小，推重比仅为0.45左右，造成电机过载，电机与电子调速器的工作电流范围不匹配，因此可能需采用推重比较大的电机和与之对应的旋桨和电调，为保证易于控制，也可以采用安装后飞行速度较小、每个电机180g以上的F3P电机（一般为2000KV以内，2206级别），像派诺特公司的“速影”无人机一样使用小型电机也可能有效果，但是要尽可能采用轻的电子设备如小型电池、使用PWM或S—bus等连接导线较少的微型接收机、四合一集成的电子调速器、微型飞控等。另外，该飞行器主体遵从固定翼布局，重心依然要布置于机翼的中性点之前，即机翼的四分之一到三分之一翼弦处，且该机的机身长度、机翼和尾翼的翼型、尺寸等设计须符合常规固定翼飞行器的飞行原理。

如果这种飞行器真正成为大众产品（一般作为玩具、练习用具、教具等）并进入市场，它可能具有多个优点：第一，生产相对容易，因其只由一套泡沫塑料机身、4个电机、一块集成电路板、一块电池等零部件组成，没有舵机（最小的空心杯电机重于最小的舵机，舵机更易损坏），程序与四旋翼无人机相似，对于有一定研发能力且生产过四旋翼无人机的厂商来说，程序编入不算复杂，可以大批量；第二，可能具有简单的可操作性。以“速影”无人机为例，玩家认为其操纵毫无难度，连未接触过玩具遥控飞机的人也能轻松驾驭；第三，相对于四旋翼无人机，该机型在向前飞行时由于其机翼分担了一部分升力，不像四旋翼无人机一样完全用螺旋桨提供升力，因此在装载相同电子设备的情况下可比四旋翼无人机拥有更多飞行时间；仍以“速影”无人机为例，也许具有低速航行能力从而更加安全；第四，由于该机型为四旋翼无人机的衍生机型，购买了此机型相当于同时购买了一架四旋翼无人机和一架四通道固定翼，既能练习对尾悬停（操纵四旋翼无人机所具备的技能），又能练习直线航线和五边形航线（操作固定翼飞行器需要掌握的技能）等飞行动作，一举两得；第五，如果厂家有能力进行模块化设计，将使飞行器具有方便携带的优势。既然该型机可大量、廉价的批量生产，也有望适于大量使用，比如是否可用于“蜂群战术（同时使用大量无人机进行军事行动）”。

不过，该机型也存在若干缺点，其耗电相对于固定翼飞行器较高，因为电机的能耗高于舵机，对于一架没有舵机的飞行器（如三通道遥控直升机、多轴飞行器、差速转向二通道固定翼玩具飞机、穿越机等）来说，当仅剩的电力不足以驱动电机时，它们就相当于一架自由飞飞机，只能滑翔，如果飞行器的翼型适合高速飞行，情况可能会更糟，如同石从空中砸碎。，相比而言，拥有舵机的飞行器（此处指不完全依靠螺旋桨而是部分依靠机翼升力）则可以通过舵机转向，以滑翔的方式返航。该机型的另一缺点是吸收了其他四旋翼无人机的固有弊端，即其中一个电机发生故障将可能导致坠机，但情形不会太严重，因此时飞行器虽然失去了部分稳定性，仍可依靠机翼获取部分升力，在差速转向的控制下进行迫降。另一方面，如果飞行器可以通过舵面调节姿态，同时有多个螺旋桨进行差速转向（俯仰）或改变反扭矩大小和方向，就可发挥两种操纵方式的长处，实现小半径转向（矢量落叶飘）、大仰角飞行甚至实现垂直起降。以CC3D飞控为例，如果把舵机接入到云台的通道，再设置为使用遥控器联动控制差速驱动和舵面偏转，有可能实现这种功能。如果飞行器拥有悬停和水平飞行两种飞行模式，在各模式下操纵方法是不同的悬停状态下把方向舵向右（左）拉就等于在水平飞行状态下拉左（右）副翼，在悬停状态下操纵的副翼舵在水平飞行状态下就相当于操作了方向舵，这容易使初学者手忙脚乱，但在熟练掌握飞行技巧和飞行模式转换技巧或使用更先进飞控后，可以化解这一难题。从本文飞控程序改变方法来看，目前这种机型最大的劣势在于飞控将偏航默认为相反方向横滚，又将横滚默认为偏航，于是在使用地面站监测飞行器姿态时会发生错误，因此，现阶段经由本文改变过程序的飞行器只能用于娱乐或固定翼操作员训练，但随着飞控技术的提高上述问题最终会被解决，此种机型也会得到更广泛的应用。■

（参考文献：略。如有需要，请联系编辑部。编辑：李悦霖）