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以前，搞無人機(jī)的十個(gè)人有八個(gè)是航空、氣動(dòng)、機(jī)械出身，更多考慮的是如何讓飛機(jī)穩(wěn)定飛起來、飛得更快、飛得更高。

如今，隨著芯片、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)開始了智能化、終端化、集群化的趨勢(shì)，大批自動(dòng)化、機(jī)械電子、信息工程、微電子的專業(yè)人材投入到了無人機(jī)研發(fā)大潮中，幾年的時(shí)間讓無人機(jī)從遠(yuǎn)離人們視野的軍事應(yīng)用飛入了尋常百姓家、讓門外漢可以短暫的學(xué)習(xí)也能穩(wěn)定可靠的飛行娛樂。

不可否認(rèn)，飛控技術(shù)的發(fā)展是這十年無人機(jī)變化的最大推手。 

飛控是什么？

飛行控制系統(tǒng)（Flight control system）簡稱飛控，可以看作飛行器的大腦。

多軸飛行器的飛行、懸停、姿態(tài)變化等等，都是由多種傳感器將飛行器本身的姿態(tài)數(shù)據(jù)傳回飛控，再由飛控通過運(yùn)算和判斷下達(dá)指令，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作和飛行姿態(tài)調(diào)整。

”控“可以理解成無人機(jī)的CPU系統(tǒng)，是無人機(jī)的核心部件，其功能主要是發(fā)送各種指令，并且處理各部件傳回的數(shù)據(jù)。類似于人體的大腦，對(duì)身體各個(gè)部位發(fā)送指令，并且接收各部件傳回的信息，運(yùn)算后發(fā)出新的指令。

例如，大腦指揮手去拿一杯水，手觸碰到杯壁后，因?yàn)樗珷C而縮回，并且將此信息傳回給大腦，大腦會(huì)根據(jù)實(shí)際情況重新發(fā)送新的指令。

無人機(jī)的飛行原理及控制方法（以四旋翼無人機(jī)為例）

四旋翼無人機(jī)一般是由檢測(cè)模塊，控制模塊，執(zhí)行模塊以及供電模塊組成。

檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行量測(cè)；執(zhí)行模塊則是對(duì)當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行解算，優(yōu)化控制，并對(duì)執(zhí)行模塊產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的控制量；供電模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。

四旋翼無人機(jī)機(jī)身是由對(duì)稱的十字形剛體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，材料多采用質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的碳素纖維。

在十字形結(jié)構(gòu)的四個(gè)端點(diǎn)分別安裝一個(gè)由兩片槳葉組成的旋翼為飛行器提供飛行動(dòng)力，每個(gè)旋翼均安裝在一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子上，通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)控制每個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，來提供不同的升力以實(shí)現(xiàn)各種姿態(tài)；每個(gè)電機(jī)均又與電機(jī)驅(qū)動(dòng)部件、中央控制單元相連接，通過中央控制單元提供的控制信號(hào)來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速大??；IMU慣性測(cè)量單元為中央控制單元提供姿態(tài)解算的數(shù)據(jù)，機(jī)身上的檢測(cè)模塊為無人機(jī)提供了解自身位姿情況最直接的數(shù)據(jù)，為四旋翼無人機(jī)最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的自主飛行提供了保障。

現(xiàn)將位于四旋翼機(jī)身同一對(duì)角線上的旋翼歸為一組，前后端的旋翼沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，從而可以產(chǎn)生順時(shí)針方向的扭矩；而左右端旋翼沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生逆時(shí)針方向的扭矩，如此四個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的扭矩便可相互之間抵消掉。

由此可知，四旋翼飛行器的所有姿態(tài)和位置的控制都是通過調(diào)節(jié)四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度實(shí)現(xiàn)的。

一般來說，四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要分為懸停、垂直運(yùn)動(dòng)、滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)以及偏航運(yùn)動(dòng)五種狀態(tài)。

懸停

懸停狀態(tài)是四旋翼無人機(jī)具有的一個(gè)顯著的特點(diǎn)。

在懸停狀態(tài)下，四個(gè)旋翼具有相等的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生的上升合力正好與自身重力相等，即。并且因?yàn)樾磙D(zhuǎn)速大小相等，前后端轉(zhuǎn)速和左右端轉(zhuǎn)速方向相反，從而使得飛行器總扭矩為零，使得飛行器靜止在空中，實(shí)現(xiàn)懸停狀態(tài)。

垂直運(yùn)動(dòng)

垂直運(yùn)動(dòng)是五種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中較為簡單的一種，在保證四旋翼無人機(jī)每個(gè)旋轉(zhuǎn)速度大小相等的倩況下，同時(shí)對(duì)每個(gè)旋翼增加或減小大小相等的轉(zhuǎn)速，便可實(shí)現(xiàn)飛行器的垂直運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)同時(shí)増加四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速時(shí)，使得旋翼產(chǎn)生的總升力大小超過四旋翼無人機(jī)的重力時(shí)，即，四旋翼無人機(jī)便會(huì)垂直上升；反之，當(dāng)同時(shí)減小旋翼轉(zhuǎn)速時(shí)，使得每個(gè)旋翼產(chǎn)生的總升力小于自身重力時(shí)，即，四旋翼無人機(jī)便會(huì)垂直下降，從而實(shí)現(xiàn)四旋翼無人機(jī)的垂直升降控制。

翻滾運(yùn)動(dòng)

翻滾運(yùn)動(dòng)是在保持四旋翼無人機(jī)前后端旋翼轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過改變左右端的旋翼轉(zhuǎn)速，使得左右旋翼之間形成一定的升力差，從而使得沿飛行器機(jī)體左右對(duì)稱軸上產(chǎn)生一定力矩，導(dǎo)致在方向上產(chǎn)生角加速度實(shí)現(xiàn)控制的。

如圖所示，增加旋翼1的轉(zhuǎn)速，減小旋翼3的轉(zhuǎn)速，則飛行器傾斜于右側(cè)飛行；相反，減小旋翼４，增加旋翼２，則飛行器向左傾斜飛行。

俯仰運(yùn)動(dòng)

四旋翼飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)和滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)相似，是在保持機(jī)身左右端旋翼轉(zhuǎn)速不變的前提下，通過改變前后端旋翼轉(zhuǎn)速形成前后旋翼升力差，從而在機(jī)身前后端對(duì)稱軸上形成一定力矩，引起角方向上的角加速度實(shí)現(xiàn)控制的。

如圖所示，增加旋翼３的轉(zhuǎn)速，減小旋翼１的轉(zhuǎn)速，則飛行器向前傾斜飛行；反之，則飛行器向后傾斜。

偏航運(yùn)動(dòng)

四旋翼的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過同時(shí)兩兩控制四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)控制的。

保持前后端或左右端旋翼轉(zhuǎn)速相同時(shí)，其便不會(huì)發(fā)生俯仰或滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)；而當(dāng)每組內(nèi)的兩個(gè)旋翼與另一組旋翼轉(zhuǎn)速不同時(shí)，由于兩組旋翼旋轉(zhuǎn)方向不同，便會(huì)導(dǎo)致反扭矩力的不平衡，此時(shí)便會(huì)產(chǎn)生繞機(jī)身中心軸的反作用力，引起沿角角加速度。

如圖所示，當(dāng)前后端旋翼的轉(zhuǎn)速相等并大于左右端旋翼轉(zhuǎn)速時(shí)，因?yàn)榍罢哐仨槙r(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，后者相反，總的反扭矩沿逆時(shí)針方向，反作用力作用在機(jī)身中心軸上沿逆時(shí)針方向，引起逆時(shí)針偏航運(yùn)動(dòng)；反之，則會(huì)引起飛行器的順時(shí)針偏航運(yùn)動(dòng)。

綜上所述，四旋翼無人機(jī)的各個(gè)飛行狀態(tài)的控制是通過控制對(duì)稱的四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，形成相應(yīng)不同的運(yùn)動(dòng)組合實(shí)現(xiàn)的。