四軸飛行器、無人機(jī)——無論怎么稱呼它們，這些小玩意兒都既迷人又好玩！對(duì)于喜歡DIY的人來說，組裝一架四軸飛行器絕對(duì)是一個(gè)很棒的項(xiàng)目。

但四軸飛行器究竟是如何工作的呢？它是如何飛行的？需要組裝哪些部件才能打造一架屬于自己的四軸飛行器？

一、四軸飛行器如何飛行？

本文將重點(diǎn)介紹四軸飛行器，但本文解釋的很多內(nèi)容也適用于其他配備四個(gè)以上螺旋槳的飛行器。因此，如果你正在構(gòu)建四軸飛行器，本文中的很多內(nèi)容也同樣適用。

在解釋四軸飛行器或任何多旋翼飛行器的工作原理之前，我們需要定義一些重要的概念——俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)。這些術(shù)語指的是飛行器在飛行過程中可以自由移動(dòng)的三個(gè)維度。

俯仰——俯仰是指飛機(jī)機(jī)頭的上仰或下仰。可以把它想象成爬升或俯沖。

偏航——偏航指的是飛機(jī)機(jī)頭向左或向右轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢院?jiǎn)單地理解為轉(zhuǎn)彎。

滾轉(zhuǎn)——要理解滾轉(zhuǎn)，想象一下從飛機(jī)前部延伸到后部的一條軸線。飛機(jī)滾轉(zhuǎn)時(shí)，它就是以此為軸轉(zhuǎn)動(dòng)。也可以將滾轉(zhuǎn)理解為傾斜。

四軸飛行器使用四個(gè)電機(jī)。其中兩個(gè)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，另外兩個(gè)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。同一軸上的電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相同，如圖所示。

四軸飛行器旋翼旋轉(zhuǎn)方向

高度這個(gè)詞你可能很熟悉——它描述的是上升或下降。四軸飛行器可以懸停，也可以通過向四個(gè)旋翼施加相同的推力來調(diào)整高度。

四軸飛行器懸停
為了調(diào)整偏航角（Yaw），也就是讓飛行器向左或向右轉(zhuǎn)動(dòng)，四軸飛行器會(huì)向一組電機(jī)施加更大的推力。例如，四軸飛行器可能會(huì)向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)電機(jī)施加更大的推力來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。

四軸飛行器偏航調(diào)整

另一方面，俯仰和滾轉(zhuǎn)的調(diào)整是通過在一個(gè)轉(zhuǎn)子上施加較大的推力，而在另一個(gè)轉(zhuǎn)子上施加較小的推力來實(shí)現(xiàn)的。例如，四軸飛行器可以通過向前方順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的電機(jī)施加較大的推力，而向后方正對(duì)的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的電機(jī)施加較小的推力來調(diào)整俯仰。

四軸飛行俯仰調(diào)節(jié)

四軸飛行器易于飛行的一個(gè)原因是實(shí)際上不必手動(dòng)調(diào)整電機(jī)速度，因?yàn)檫@是控制器和電子設(shè)備發(fā)揮作用的地方。

二、電機(jī)

沒有電機(jī)，四軸飛行器就飛不起來，所以選擇合適的電機(jī)至關(guān)重要。可惜的是，電機(jī)的規(guī)格有時(shí)會(huì)讓人困惑。

大多數(shù)四軸飛行器使用無刷直流電機(jī)，盡管較便宜的四軸飛行器和微型直升機(jī)中的電機(jī)通常帶有刷子。

無刷電機(jī)由一個(gè)帶有永磁體的轉(zhuǎn)子和圍繞轉(zhuǎn)子的多個(gè)電磁鐵（也稱為極點(diǎn)）組成。無刷電機(jī)的極點(diǎn)數(shù)從 2 到 14 個(gè)不等。極點(diǎn)數(shù)越多，電機(jī)的控制精度就越高。

無刷電機(jī)有三根電線，分別控制電機(jī)的三個(gè)相位。通過改變這些電線的連接方式，可以控制電機(jī)順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

四軸飛行器電機(jī)的關(guān)鍵規(guī)格之一是其千伏 (KV) 額定值。KV 并非千伏，而是指在電機(jī)空載狀態(tài)下施加 1 伏電位差時(shí)，電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速 (RPM)。KV 也可以理解為每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) (RPM)。四軸飛行器典型的 KV 額定值在 500 到 2500 之間。低 KV 電機(jī)可以驅(qū)動(dòng)大型螺旋槳，從而產(chǎn)生更大的推力。

一般來說，重量超過 1 公斤的四軸飛行器會(huì)使用額定功率在 700 至 900 千伏之間的電機(jī)。重量在半公斤至 1 公斤之間的飛行器會(huì)使用額定功率在 900 至 1300 千伏之間的電機(jī)。重量低于 500 克的飛行器會(huì)使用額定功率在 1300 至 2200 千伏之間的電機(jī)。

電機(jī)的最大額定電流是另一個(gè)重要因素。在選擇電子調(diào)速器 (ESC) 和電池之前，需要知道這個(gè)以安培為單位的數(shù)值。

電機(jī)的額定推力與螺旋槳尺寸相關(guān)。這是一個(gè)重要的參數(shù)，需要了解四軸飛行器的總重量，請(qǐng)記住，該重量包含電機(jī)本身的重量。

基本經(jīng)驗(yàn)法則是，電機(jī)和螺旋槳的組合應(yīng)該能夠產(chǎn)生相當(dāng)于飛行器重量?jī)杀兜耐屏?。因此，?duì)于擁有四個(gè)電機(jī)的四軸飛行器來說，這意味著每個(gè)電機(jī)應(yīng)該能夠提供相當(dāng)于整架飛行器重量一半的推力。換句話說，一架1公斤重的四軸飛行器需要四個(gè)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)至少能夠產(chǎn)生半公斤的推力。

另一個(gè)重要的電機(jī)規(guī)格是軸的直徑。這很重要，因?yàn)樗鼪Q定了能用哪種螺旋槳與電機(jī)匹配。

還需要查看安裝螺釘模式和電機(jī)支架，以確保電機(jī)能夠成功安裝到四軸飛行器的框架上。

三、螺旋槳

直徑和螺距是螺旋槳的兩個(gè)基本規(guī)格。螺旋槳通常以套裝形式出售，套裝中包含2個(gè)順時(shí)針螺旋槳和2個(gè)逆時(shí)針螺旋槳。

螺旋槳的直徑和螺距多種多樣，材質(zhì)可以是塑料、碳纖維，甚至是木材。直徑小于 8 英寸的小型螺旋槳通常與高千伏電機(jī)配合使用，用于競(jìng)賽和特技飛行。直徑超過 8 英寸的螺旋槳通常與低千伏電機(jī)配合使用，用于提升重型有效載荷，例如攝像機(jī)。

螺距通常定義為“每轉(zhuǎn)的行程距離”。螺距越大，旋轉(zhuǎn)速度越慢，這會(huì)提高飛行速度，但也會(huì)消耗更多功率。實(shí)際上，只需更換螺距較小的螺旋槳，即可延長(zhǎng)四軸飛行器的飛行時(shí)間。螺距較小的螺旋槳可以產(chǎn)生更大的扭矩，從而降低電機(jī)的電流消耗。

螺旋槳的直徑指的是其尺寸。增加直徑可以提高螺旋槳的效率，但也會(huì)消耗更多的電機(jī)電流。

電機(jī)與螺旋槳的匹配也是影響穩(wěn)定性的一個(gè)因素，尤其是在攜帶相機(jī)時(shí)。對(duì)于大型四軸飛行器來說，如果要攜帶較大的有效載荷，大螺旋槳和低千伏電機(jī)通常效果最佳。

四、電子速度控制器（ESC）

控制無刷直流電機(jī)的設(shè)備稱為電子調(diào)速器（ESC）。每個(gè)電機(jī)都需要一個(gè)。

ESC 有三組電線。其中三根粗線連接到無刷電機(jī)的三根電線。另外兩根粗線連接到配電板，為 ESC 和電機(jī)供電。此外，還有三根細(xì)線連接到飛行控制器。

ESC 的額定電流必須能夠承受電機(jī)的最大電流。選擇額定電流高于電機(jī)最大電流的 ESC 始終是明智之舉。

五、飛行控制器

四軸飛行器飛行控制器

飛行控制器是四軸飛行器的大腦。它通過向電調(diào)發(fā)送信號(hào)來控制電機(jī)的速度。

高級(jí)飛行控制器功能更豐富，并配備陀螺儀、加速度計(jì)、聲納、GPS 和磁力計(jì)等傳感器。簡(jiǎn)易飛行控制器僅包含陀螺儀，對(duì)于大多數(shù)初學(xué)者來說已經(jīng)足夠。

飛行控制器將接收來自機(jī)載無線電接收器的信號(hào)，以便遠(yuǎn)程控制四軸飛行器。然后，它會(huì)發(fā)揮其神奇的功能，向電子調(diào)速器 (ESC) 發(fā)送信號(hào)來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

飛行控制器實(shí)際上是小型計(jì)算機(jī)，因此可以通過連接到計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程和更新。盡管飛行控制器很復(fù)雜，但實(shí)際上并不昂貴。

六、無線電發(fā)射器和接收器

四軸飛行器將配備一個(gè)機(jī)載無線電接收器，可以使用手持無線電發(fā)射器控制該設(shè)備。接收器和發(fā)射器均由其支持的通道數(shù)量和工作頻率決定。

無線電系統(tǒng)中的每個(gè)通道控制四軸飛行器的一個(gè)功能或設(shè)備?？刂扑妮S飛行器至少需要通道，但大多數(shù)人至少會(huì)從六個(gè)通道開始。額外的通道可用于控制照明或控制云臺(tái)電機(jī)來定位相機(jī)。

四個(gè)基本通道的使用方式如下：一個(gè)通道用于油門，一個(gè)通道用于左右轉(zhuǎn)彎，一個(gè)通道用于前后俯仰，一個(gè)通道用于左右滾轉(zhuǎn)。換句話說，油門、偏航、俯仰和滾轉(zhuǎn)。每個(gè)通道也可以用來切換不同的飛行模式。

如果你計(jì)劃使用多架四軸飛行器，可以購(gòu)買一個(gè)發(fā)射器和幾個(gè)兼容的接收器。顯然，這樣每次只能飛行一架飛行器。這是一個(gè)不錯(cuò)的策略，因?yàn)樗茏屇阗I得起高質(zhì)量的發(fā)射器，而接收器通常也相當(dāng)便宜。

發(fā)射器-接收器組合以兩種不同的模式工作，這些模式本質(zhì)上決定了發(fā)射器上的控制配置。

模式 1 配置將升降舵控制設(shè)在左搖桿上，將油門控制設(shè)在右搖桿上。模式 2 則將這兩個(gè)控制反轉(zhuǎn)，這是最常用的配置。如果你是初學(xué)者，通常建議將設(shè)備設(shè)置為模式 2。

七、電池

四軸飛行器電池

沒有電池，四軸飛行器就飛不起來。電池的選擇是在設(shè)計(jì)和制造四軸飛行器時(shí)最重要的決定之一。

更大的電池容量更大，因此飛行時(shí)間也更長(zhǎng)。然而，隨著電池容量的增加，其重量也會(huì)增加，而增加四軸飛行器的重量會(huì)縮短飛行時(shí)間，因?yàn)樾枰蟮碾姍C(jī)電流來提升有效載荷。請(qǐng)記住，較重的四軸飛行器靈活性也會(huì)降低。

電池的主要規(guī)格是其電流容量，以毫安/小時(shí)（mAh）為單位。一塊2200 mAh的電池可以提供2.2安培的電流，持續(xù)1小時(shí)。

電池的另一個(gè)規(guī)格是電壓。電池由多個(gè)電芯組成，普通鋰聚合物電池的每個(gè)電芯能夠輸出3.7伏電壓。因此，電池電壓通常指定為3.7伏的倍數(shù)——例如，3.7伏、7.4伏、11.1伏和14.8伏是常見的。如果選擇更高電壓的電池，請(qǐng)確保電調(diào)和電機(jī)都能支持該電壓。

八、框架

最后我們來看看框架，它將四軸飛行器固定在一起?？蚣芸梢杂啥喾N材料制成，例如木材、塑料或碳纖維。碳纖維的強(qiáng)度與其重量相當(dāng)，但也可能很脆，這一點(diǎn)必須考慮，因?yàn)楹翢o疑問，你的四軸飛行器最終可能會(huì)墜毀。

四軸飛行器的機(jī)架尺寸以毫米為單位，指的是四軸飛行器上電機(jī)之間的距離。常見的機(jī)架尺寸為 180 毫米、250 毫米和 400 毫米。競(jìng)速四軸飛行器通常為 250 毫米。

為四軸飛行器選擇框架時(shí)，請(qǐng)確保它有足夠的空間和間隙來安裝 ESC 和飛行控制器等物品，以及希望攜帶的任何其他物品（例如相機(jī)）。

一些愛好者也會(huì)自己制作框架，通常是用木頭。木頭其實(shí)是個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗子诩庸?，而且價(jià)格也相當(dāng)昂貴。它也很容易改裝，以便四軸飛行器安裝配件。然而，木頭容易變形，這會(huì)導(dǎo)致四軸飛行器飛行不穩(wěn)定。

甚至可以使用 3D 打印機(jī)制作框架或框架的一部分。

好了，以上就是四軸飛行器的基本組件。把這些組件組裝起來，你就可以設(shè)計(jì)一架屬于自己的四軸飛行器了。

翻譯：信盈達(dá)分享匯

原文地址：https://dronebotworkshop.com/how-does-a-quadcopter-work/