四旋翼無人機飛行原理在固定翼飛機中的應用

曹著明 劉任如歌/北京電子科技職業學院

四旋翼無人機雖然沒有舵機，但是卻可以像遙控直升機一樣垂直起降，并且能輕松地在原地轉向和向各個方向飛行、進行翻滾，有一些機型甚至可以像6通道特技直升機那樣能進行倒飛，原因在于四旋翼無人機的飛控可以通過電子調速器控制四個電機的轉動速度甚至轉動方向，四旋翼無人機利用四個電機的速度差充當對升降舵和副翼舵通道的控制。

四旋翼無人機一般由接收機、電子調速器、飛控系統、傳感器、1塊電池、4個電機和螺旋槳以及一套塑料機身拼裝而成，技術簡單，易于大批量生產，進入我國市場后很快受到多家廠商青睞，紛紛生產此種機型，其中，微型四旋翼無人機因具有可在狹小室內環境飛行和輕巧易操作適合新手使用的優點而廣受消費者追捧。可以預見，固定翼模型如果也具有上述優勢將如前者一樣擁有市場。

四旋翼無人機飛行原理

俯仰、橫滾飛行原理

四旋翼無人機沒有舵機，卻能像遙控直升機一樣垂直起降，輕松地在原地轉向和向各個方向飛行、進行翻滾，部分機型甚至可以像6通道特技直升機那樣倒飛，這是因為四旋翼無人機的飛控可以通過電子調速器控制四個電機的轉動速度甚至轉動方向，四旋翼無人機利用四個電機的速度差充當對升降舵和副翼舵通道的控制，使飛行器能夠向各個方向飛行，四個電機圍繞在飛行器的重心四周，當一個或多個方向的電機轉速加快時，飛行器重心所受的合力就偏向于轉速加快的電機相對于重心的反方向，使飛行器朝該方向飛行；相反，當一個或多個電機的轉動速度減慢時，重心所受的合力就偏向于速度減慢的電機相對于重心的位置，使飛行器朝該方向飛行。

圖1 十字布局四旋翼無人機飛行原理

偏航飛行原理

常規直升機存在螺旋槳帶來的反扭矩，為了平衡需要尾部螺旋槳（這類直升機通常被稱為正常布局的直升機）或再增加一個相同大小的螺旋槳（布局方法有串列雙漿布局、并列雙槳布局、共軸反槳布局等），而四旋翼無人機四個螺旋槳中兩個向左轉動，兩個向右轉動，恰好抵消了反扭矩；而且，與遙控直升機一樣，四旋翼無人機的原地轉向也是通過控制方向舵通道來進行的，但不同的是四旋翼無人機的轉向是利用了對反扭矩的控制而實現，即同時加快以順時針轉動的兩個螺旋槳或減慢以逆時針轉動的兩個螺旋槳的轉動速度，則向逆時針旋轉的反扭矩會增加，使飛行器向逆時針方向旋轉，同理，若加快以逆時針旋轉的兩個螺旋槳或減慢以順時針轉動的兩個螺旋槳的轉動速度，飛行器會向順時針方向旋轉，飛行原理如圖1所示。因此，四旋翼無人機不需依靠舵機即能像遙控直升機一樣飛行，這種僅通過控制電機轉速來調整飛行姿態和控制飛行動作的原理也有可能同樣適用于固定翼飛行器的飛行。

運用四旋翼無人機飛行原理的固定翼飛行器

飛行器外觀

從上海交通大學和法國派諾特公司的研發經驗、成果與產品可以看出，四旋翼無人機的原理有望應用于固定翼飛行器。

設想將一個四軸飛行器繞著俯仰軸向地面旋轉90°角，使機頭的延長線和四個螺旋槳轉動所形成的平面垂直于地面，做一條經過飛行器重心并分別垂直于地面和螺旋槳平面的直線，平行于該直線和地面在機身上固定上在一定速度的空氣流過表面或在傾斜一定迎角的情況下有一定速度的氣流流過表面能產生一定的升力的機翼，在此基礎上還可以加上尾翼，成為一架與四旋翼無人機和固定翼飛行器都有相似之處的飛行器，如圖2所示。

飛行原理簡述

圖2 此種飛行器結構示意圖

圖3 飛行器的布局及飛行原理示意圖

這種飛行器在四個螺旋槳都高速旋轉時可以直線飛行，（從螺旋槳平面向四旋翼無人機機腹方向）在兩個順時針旋轉的螺旋槳都加快轉速或兩個逆時針轉動的螺旋槳減速時，飛行器受到的反扭矩方向以剛才所作直線為軸向此時飛行器右側傾轉，飛行器就能向右側橫滾；同理，若加快兩個逆時針旋轉的螺旋槳或者減慢兩個順時針轉動的螺旋槳的轉動速度，飛行器則向左側橫滾，如圖3中下排“向左橫滾”“向右橫滾”所示。

如圖3中上排“爬升”“俯沖”所示，使飛行器俯仰的方法是通過改變機翼上下兩個螺旋槳的轉動速度實現：使安裝在機翼上兩個螺旋槳的轉速加快或機翼下兩個螺旋槳轉速減慢時，飛行器所受合力向下，于是飛行器下降，若機翼下兩個螺旋槳的轉速加快或機翼上兩個螺旋槳轉速減慢時，飛行器上升；通過螺旋槳轉速差也可以使飛行器水平轉向，即偏航，可以增加機身一側的螺旋槳轉動速度（或降低另一側的螺旋槳轉速），飛行器所受的合力就偏向于相反一側（或相同一側），飛行器向所受合力方向偏航，如圖3中下排“向左偏航”“向右偏航”所示。

飛控匹配與參調

飛控的選擇

由于這種飛行器的飛行原理類似于固定翼飛行器，通過機翼產生升力，而飛行姿態調整的原理類似于四旋翼無人機，憑借速度差和反扭矩進行飛行姿態的調整，因此，本文采用一種在四旋翼無人機上使用的CC3D飛控作為此試驗飛行器的飛控，并通過改變或調整其原有程序，使之適應該機的飛行級飛行姿態調整原理。

直接使用飛控的弊端分析

該機的飛控程序相當于將飛行器橫滾和偏航程序的位置進行調換。在實際使用過該飛控后發現，原先飛控程序的四旋翼無人機模式是當檢測到高度變化時改變所有電機的轉動速度，當檢測到飛行器傾斜時改變傾斜方向或反方向電機的轉速（也有可能都改變），當檢測到飛行器在水平轉動時隨之改變一對轉動方向飛控相同的電機的轉速，而飛行器在水平移動而不傾斜時飛控無反應；由于希望當飛控檢測到飛行器進行俯仰時改變（指四旋翼無人機模式，下同）前后兩側中一側的兩對螺旋槳的轉速，與原有程序相同，檢測到飛行器橫滾時改變一對轉動方向相同的電機的轉速，當檢測到偏航時改變左右兩側中一側的螺旋槳的轉動速度。若飛控按照原程序運行，當飛控檢測到飛行器在橫滾軸上有所傾斜，飛控會命令將其中一側的電機加速轉動，飛行器會向一側轉向；如果飛行器在繞著航軸轉動（即不由自主的轉向），飛控會命令兩個轉速相同的電機加速以產生反扭矩進行矯正，然而飛控并不了解現在的反扭矩決定了飛行器的橫滾而不是偏航（左右水平轉向），于是飛行器向一側滾轉，進入螺旋而墜機，故此時如維持原來的飛控程序，不僅不能解決橫滾的矯正，不能自穩，還會令飛行器更容易墜機，更不適合初學者的飛行，即使熟練的飛行器操作手也難以適應。

參調飛控

本文使用的飛控是2016年四旋翼無人機上所使用最簡單和便宜的飛控，它唯一的傳感器是一個陀螺儀，打開電腦上的飛控參調軟件后發現通過遙控器控制的通道可以改變，而不能直接改變飛控根據飛行姿態的變化而做出的反應，根據內置程序，認為可通過調整“穩定性”（該欄原軟件注明為“stabilization”，界面右邊從上往下數第6個方形按鈕）或者“姿態”（該欄原軟件注明為“attitude”，在“stabilization”下第一個按鈕）的欄目內選項來嘗試，并由實驗檢驗其調整效果。實驗方法為將4個電機固定在一個由積木搭成的、可以多角度轉動的實驗平臺上，通過調整參數啟動電機并通過發射機進行操作或傾斜、扭動飛控以模擬飛行時的姿態變化，同時觀察4個螺旋槳的轉動情況和平臺的傾斜或旋轉的方向和快慢。

嘗試改變“穩定性”欄目中的“速率”（原選項注明為“rate”）選項后再通過發射機啟動電機，發現傾斜或水平轉動飛控后各電機的轉動情況并未發生變化，將選項還原，再將“穩定姿態（內循環）”和“穩定系數（外循環）”對話框中“橫滾”的“成比例的”及“積分”分別調成“0”后實驗發現，“穩定系數（外循環）”的參數與飛控在傾斜或水平轉動的反應有關，而“穩定姿態（內循環）”的參數與發射機上的操作有關，若將前者的參數設置為“0”通過發射機操縱將無反應，可見該欄目內的選項無法使飛控按照設想運行。

隨后，又嘗試了改變“姿態”欄目中的選項。該欄目中共有4個設置選項，一個用于重置陀螺儀，另外三個可以改變俯仰、橫滾、偏航的角度微調。調整俯仰角度的參數至“-90”后打開電機，按照偏航軸傾斜并按照橫滾軸進行扭動飛控，發現傾斜時兩個旋轉方向相同的電機加快轉速，產生反扭矩，矯正橫滾，扭動時其中一側的電機加速轉動，使實驗平臺受到水平方向與扭動方向相反的合力，矯正了偏航；但此時下置的兩個電機轉動速度總是高于上置電機轉速，導致實驗平臺總是繞俯仰軸向后偏轉，原因是飛控默認了此時實驗平臺（可看作飛行器）的前面為陀螺儀的下方，因此如果飛行器使用這樣的飛控程序，會在起飛后立即垂直爬升，最后失速墜機，作者曾將這樣的飛控程序在一臺試驗樣機上使用，驗證了這一結果，雖然加裝了向下偏轉的水平位移試圖使之正常飛行，仍然墜機，可見“姿態”欄中所設置的參數確實有可能按照所設目的而改變，可能先要進行某種設置后再將飛控中的“俯仰”設置調成“-90”才能達到效果。之后進行了多次飛控調整和實驗，既然飛控底部為陀螺儀下方時進行上述調整能使飛控前方為陀螺儀下方，若想要在上述調整后仍使飛控底部為陀螺儀下方，那么若使初始狀態下陀螺儀的下方是飛控前方，則進行上述調整后飛控的陀螺儀下方即是飛控底部，符合設想，另外，如前所述，飛控對偏航軸的扭動與橫滾軸的傾斜將會被矯正，這也符合設想。于是，將飛控以飛控前面為陀螺儀下方校準并將“俯仰”調整設置成“-90”后，效果果然與設想相同。此時，發現飛控在繞橫滾軸傾斜時，它會認為發生了繞偏航軸的扭動從而命令兩個旋轉方向相同的電機加快轉速，產生反扭矩，矯正橫滾；而飛控在繞偏航軸扭動時，會認為發生了繞橫滾軸的傾斜，從而使其中一側的電機加速轉動，使實驗平臺受到水平方向與扭動方向相反的力，矯正了偏航。以上即是該飛行器使用CC3D飛控程序調整的設想。

機身布局與電子設備的選擇

布局參考

這類飛行器的結構與正常的四旋翼無人機和固定翼飛行器存在一些相似之處，也可以說是兩者的結合體，既擁有源于四旋翼無人機的四螺旋槳布局，又擁有固定翼飛行器的機翼和重心在機翼的中性點之前配平方式，前述上海交通大學和法國派諾特公司研制的此類飛行器的布局方式可以用于借鑒，前者研制的飛行器用于追捕“黑飛”無人機（違法飛行的無人機），采用雙翼無尾布局，上下兩片機翼上各安裝兩臺電機，并都有一個位置相同的氣動中心，中間是固定捕捉網的連接桿，早期試驗機的飛控安裝于連接桿上，后期型號的飛控與其他機載設備一起安裝于兩個機翼之中，使用大推力無刷電機獲得極高的航速，技術較為成熟，可實現垂直起飛、懸停和水平飛行；后者則是用于娛樂的微型玩具無人機，采用X型機翼無尾布局，4片機翼連接在裝滿了電子設備的機艙中，空心杯電機傾斜地安裝在各機翼的末端，雖然可以和前者一樣垂直起飛并懸停，但不能水平飛行，只能以一定的機翼迎角向前飛行，由此可見，這類飛行器一般沒有尾翼的原因可能與垂直起降的起飛方式有關。

機載電子設備選擇

圖4 試制飛機

四旋翼無人機

作者試制的飛行器由于沒有垂直起降功能，最初采用了有尾單翼常規布局，使用50g手拋玩具飛機作為機身，4個“kingkong100 GT1103，7800KV”無刷電機和4個銀燕6A電調安裝于機翼上下的支架上，其他電子設備安裝在機身內部，包括CC3D飛控、樂迪R9DS接收機、35g500mA時鋰電池和電壓降低模塊或帶有電壓降低功能的分電板。

結束語

經作者試飛，結論是電機采用KV值較大的電機，推力較小，推重比僅為0.45左右，造成電機過載，電機與電子調速器的工作電流范圍不匹配，因此可能需采用推重比較大的電機和與之對應的旋槳和電調，為保證易于控制，也可以采用安裝后飛行速度較小、每個電機180g以上的F3P電機（一般為2000KV以內，2206級別），像派諾特公司的“速影”無人機一樣使用小型電機也可能有效果，但是要盡可能采用輕的電子設備如小型電池、使用PWM或S—bus等連接導線較少的微型接收機、四合一集成的電子調速器、微型飛控等。另外，該飛行器主體遵從固定翼布局，重心依然要布置于機翼的中性點之前，即機翼的四分之一到三分之一翼弦處，且該機的機身長度、機翼和尾翼的翼型、尺寸等設計須符合常規固定翼飛行器的飛行原理。

如果這種飛行器真正成為大眾產品（一般作為玩具、練習用具、教具等）并進入市場，它可能具有多個優點：第一，生產相對容易，因其只由一套泡沫塑料機身、4個電機、一塊集成電路板、一塊電池等零部件組成，沒有舵機（最小的空心杯電機重于最小的舵機，舵機更易損壞），程序與四旋翼無人機相似，對于有一定研發能力且生產過四旋翼無人機的廠商來說，程序編入不算復雜，可以大批量；第二，可能具有簡單的可操作性。以“速影”無人機為例，玩家認為其操縱毫無難度，連未接觸過玩具遙控飛機的人也能輕松駕馭；第三，相對于四旋翼無人機，該機型在向前飛行時由于其機翼分擔了一部分升力，不像四旋翼無人機一樣完全用螺旋槳提供升力，因此在裝載相同電子設備的情況下可比四旋翼無人機擁有更多飛行時間；仍以“速影”無人機為例，也許具有低速航行能力從而更加安全；第四，由于該機型為四旋翼無人機的衍生機型，購買了此機型相當于同時購買了一架四旋翼無人機和一架四通道固定翼，既能練習對尾懸停（操縱四旋翼無人機所具備的技能），又能練習直線航線和五邊形航線（操作固定翼飛行器需要掌握的技能）等飛行動作，一舉兩得；第五，如果廠家有能力進行模塊化設計，將使飛行器具有方便攜帶的優勢。既然該型機可大量、廉價的批量生產，也有望適于大量使用，比如是否可用于“蜂群戰術（同時使用大量無人機進行軍事行動）”。

不過，該機型也存在若干缺點，其耗電相對于固定翼飛行器較高，因為電機的能耗高于舵機，對于一架沒有舵機的飛行器（如三通道遙控直升機、多軸飛行器、差速轉向二通道固定翼玩具飛機、穿越機等）來說，當僅剩的電力不足以驅動電機時，它們就相當于一架自由飛飛機，只能滑翔，如果飛行器的翼型適合高速飛行，情況可能會更糟，如同石從空中砸碎。，相比而言，擁有舵機的飛行器（此處指不完全依靠螺旋槳而是部分依靠機翼升力）則可以通過舵機轉向，以滑翔的方式返航。該機型的另一缺點是吸收了其他四旋翼無人機的固有弊端，即其中一個電機發生故障將可能導致墜機，但情形不會太嚴重，因此時飛行器雖然失去了部分穩定性，仍可依靠機翼獲取部分升力，在差速轉向的控制下進行迫降。另一方面，如果飛行器可以通過舵面調節姿態，同時有多個螺旋槳進行差速轉向（俯仰）或改變反扭矩大小和方向，就可發揮兩種操縱方式的長處，實現小半徑轉向（矢量落葉飄）、大仰角飛行甚至實現垂直起降。以CC3D飛控為例，如果把舵機接入到云臺的通道，再設置為使用遙控器聯動控制差速驅動和舵面偏轉，有可能實現這種功能。如果飛行器擁有懸停和水平飛行兩種飛行模式，在各模式下操縱方法是不同的懸停狀態下把方向舵向右（左）拉就等于在水平飛行狀態下拉左（右）副翼，在懸停狀態下操縱的副翼舵在水平飛行狀態下就相當于操作了方向舵，這容易使初學者手忙腳亂，但在熟練掌握飛行技巧和飛行模式轉換技巧或使用更先進飛控后，可以化解這一難題。從本文飛控程序改變方法來看，目前這種機型最大的劣勢在于飛控將偏航默認為相反方向橫滾，又將橫滾默認為偏航，于是在使用地面站監測飛行器姿態時會發生錯誤，因此，現階段經由本文改變過程序的飛行器只能用于娛樂或固定翼操作員訓練，但隨著飛控技術的提高上述問題最終會被解決，此種機型也會得到更廣泛的應用。■

（參考文獻：略。如有需要，請聯系編輯部。編輯：李悅霖）