第五节 多旋翼无人机飞行原理
任何物体放在空气中，当物体两侧的空气流动速度不一样时，一侧流速快则压力小，另一侧流速慢则压力大，二者产生的压力差即形成升力，如图1-43所示。
图1-43 相对压力差对物体产生的升力
多旋翼无人机主要靠多个螺旋桨同时旋转产生升力而飞行的，操控者通过遥控器控制螺旋桨的转速来实现无人机的不同飞行状态。
X字型四旋翼无人机受力示意图如图1-44所示，电动机①和③逆时针旋转，②和④顺时针旋转；F1~F4分别是电动机①~④带动螺旋桨旋转产生的升力；T1~T4分别是对机体本身产生的反转矩；G为无人机自身重力。
图1-44 四旋翼无人机受力示意图
1. 升降运动
升降运动是指无人机沿Z轴上升或下降的运动，如图1-45所示。
图1-45 无人机升降运动示意图
设无人机四个旋翼产生的升力分别为F1、F2、F3、F4，它们满足
F1=F2=F3=F4 （1-1）
F1+F2+F3+F4=F
式中，F为无人机总升力。
无人机受到的总升力大于无人机重力→无人机做垂直上升运动
无人机受到的总升力小于无人机重力→无人机做垂直下降运动
无人机受到的总升力等于无人机重力→无人机处于悬停状态
2. 俯仰运动
俯仰运动是指无人机绕Y轴的转动，如图1-46所示。
图1-46 无人机俯仰运动示意图
在无人机平稳飞行的前提下，通过改变电动机转速，使得升力F1、F2、F3、F4满足
F1=F4 （1-2）
F2=F3
F2+F3>F1+F4→无人机绕着Y轴顺时针旋转，即俯仰运动
F2+F3<F1+F4→无人机绕着Y轴逆时针旋转，即仰转运动
3. 横滚运动
横滚运动是指无人机绕X轴的转动，如图1-47所示。
图1-47 无人机横滚运动示意图
在无人机平稳飞行的前提下，通过改变电动机转速，使得升力F1、F2、F3、F4满足
F1=F2 （1-3）
F3=F4
F3+F4>F1+F2→无人机绕着X轴顺时针旋转，即右横滚运动
F3+F4<F1+F2→无人机绕着X轴逆时针旋转，即左横滚运动
4. 偏航运动
偏航运动是指无人机绕Z轴的自旋运动，如图1-48所示。
图1-48 无人机偏航运动示意图
假设电动机①、③逆时针转动，电动机②、④顺时针转动，各电动机和螺旋桨产生的反转矩为T1、T2、T3、T4，并满足以下关系
T1=T3 （1-4）
T2=T4
T1+T3>T2+T4→无人机将发生顺时针旋转偏航运动
T1+T3<T2+T4→无人机将发生逆时针旋转偏航运动
5. 前后运动
前后运动是指无人机在前后方向发生位移的运动，如图1-49所示。
图1-49 无人机前后运动示意图
如图1-50所示，若无人机所受重力为G，通过控制电动机使得当前俯仰角为θ，且旋翼提供的合升力F满足
Fcosθ=G （1-5）
图1-50 无人机前后运动受力分析图
无人机所受的水平分力为
Fx=Fsinθ （1-6）
无人机在没有外力干扰的情况下，将在水平分力的作用下，沿前进方向做加速运动
6. 左右运动
左右运动是指无人机在左右方向发生位移的运动，如图1-51所示。
图1-51 无人机左右运动示意图
如图1-52所示，若无人机所受重力为G，通过控制电动机使得当前姿态横滚角为ψ，且旋翼提供的合升力F满足
Fcosψ=G （1-7）
图1-52 无人机左右运动受力分析图
无人机所受的水平分力为
Fy=Fsinψ （1-8）
无人机在没有外力干扰的情况下，将在水平分力的作用下，沿左右方向做加速运动
无人机控制原理如图1-53所示。操作者操控遥控器给出控制给定值，传感器检测无人机实际运动姿态信号，飞控板根据误差信号输出调整信号，电调根据飞控板调整信号改变电动机转速，通过螺旋桨改变升力，从而改变无人机运动姿态，反复修正和调整电动机转速来实现无人机的稳定飞行。
图1-53 无人机控制原理