第2章 多旋翼飞行器的飞行原理和组成
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面的运动状态，确定机体的空间位置坐标，如图 2-1所示。
地理坐标系的原点O为多旋翼飞行器的起飞点， OX轴指向地球东向，OY轴指向地球北向，OZ轴 由右手准则确定，垂直于地平面向上，飞行器的 位置(X, Y,Z)即为飞行器重心相对于地理坐标系的 坐标值。
图2-1 地理坐标系
2.1.1 多旋翼飞行器坐标系
图2-9 前后运动示意图
2.1.2 四旋翼飞行器的工作原理
6．左右运动 在图2-10中，增加电动机4转速，使拉力增大，相应减
小电动机2转速，使拉力减小，同时保持其它两个电动机转 速不变，可以实现飞行器的左飞运动。向右飞行与向左飞行 正好相反。
图2-10左右运动示意图
2.1.2 四旋翼飞行器的工作原理
第2章 多旋翼飞行器的飞行 原理和组成
第2章 多旋翼飞行器的飞行原理和组成
2.1 多旋翼飞行器的飞行原理 2.2 多旋翼飞行器的基本组成
2.1 多旋翼飞行器的飞行原理
2.1.1 多旋翼飞行器坐标系 2.1.2 四旋翼飞行器的工作原理
2.1.1 多旋翼飞行器坐标系
1．地理坐标系 地理坐标系E用于研究多旋翼飞行器相对于地
飞行方向 上升 下降 前飞 后飞 左飞 右飞 左旋转 右旋转
表2-1 四旋翼飞行器四轴的运动与四个旋翼的关系
1号旋翼 等量增大 等量减小 等量减小 等量增大 不变 不变 等量减小 等量增大
2号旋翼 等量增大 等量减小 不变 不变 等量减小 等量增大 等量增大 等量减小
3号旋翼 等量增大 等量减小 等量增大 等量减小 不变 不变 等量减小 等量增大
在图2-5中，因有两对电动机转向相反，可以平衡其 对机身的反扭矩，当同时增加四个电动机的输出功率，旋 翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的 重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小 四个电动机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至 平衡落地，实现了沿Z轴的垂直运动。当外界扰动量为零 时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保 持悬停状态。
图2-11 机架
2.2.1 机架
机架的主要作用如下：
（1）提供安装接口。
（2）提供整体的稳定和坚固的平台。
（3）安装起落架等缓冲装备。
2．机体坐标系 机体坐标系B固定在机体上，其原
点与多旋翼飞行器的重心重合。根据机 体坐标系与机臂的相对方向不同，飞行 器的飞行模式一般可分为十字模式和X 字模式。如图2-2、图2-3所示。
图2-2 十字模式
图2-3 X模式
2.1.1 多旋翼飞行器坐标系
2．机体坐标系
在十字模式中，机体坐标系原点o位于机臂交叉中心，x轴和y轴与机臂重合，z轴垂直于机体平面 指向飞行上方，如图2-4(a)所示；将十字模式机体坐标系绕z轴旋转45º，即得到X字模式机体坐标系， 如图2-4(b)所示。
以十字模式为例，说明四旋翼飞行器的飞行原理。假设在各个运动状态中，电动机1和电动机3 作逆时针旋转，电动机2和电动机4作顺时针旋转，规定沿x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋 翼的运动平面上方表示此电动机转速提高，在下方表示此电动机转速下降。
2.1.2 四旋翼飞行器的工作原理
1．垂直运动
垂直运动，即升降控制。十字模式下四旋翼飞行器垂 直运动示意图如图2-5所示。
扭矩来实现。在图2-8中，当电动机1和电动机3的 转速上升，电动机2和电动机4的转速下降时，旋 翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对 机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕Z 轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电动机1、 电动机3的转向相反。
图2-8 偏航运动示意图
2.1.2 四旋翼飞行器的工作原理
图2-6 俯仰运动示意图
2.1.2 四旋翼飞行器的工作原理
3．横滚运动 与图2-6的原理相同，在图2-7中，改变电动机2和
电动机4的转速，保持电动机1和电动机3的转速不变， 则可使机身绕X轴旋转（正向和反向），实现飞行器的 横滚运动。
图2-7 横滚运动示意图
2.1.2 四旋翼飞行器的工作原理
4．偏航运动 四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反
5．前后运动 要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在
水平面内对飞行器施加一定的力。在图2-9中，增加电动机3 转速，使拉力增大，相应减小电动机1转速，使拉力减小， 同时保持其它两个电动机转速不变，反扭矩仍wenku.baidu.com要保持平衡。
按图2-6的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从 而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运 动。向后飞行与向前飞行正好相反。
4号旋翼 等量增大 等量减小 不变 不变 等量增大 等量减小 等量增大 等量减小
2.2 多旋翼飞行器的基本组成
2.2.1 机架 2.2.2 电动机 2.2.3 电子调速器 2.2.4 螺旋桨 2.2.5 电池 2.2.6 遥控系统 2.2.7 飞行控制系统
2.2.1 机架
机架是指多旋翼飞行器的机身架， 是整个飞行系统的飞行载体，所有的部 件和设备都要安装在机架上面。机架下 方安装有起落架，用于支撑全机重量， 避免螺旋桨离地太近而发生触碰，以及 消耗和吸收多旋翼飞行器在着陆时的撞 击能量。
图2-5 垂直运动示意图
2.1.2 四旋翼飞行器的工作原理
2．俯仰运动 在图2-6中，电动机1的转速上升，电动机3的转速下降，
电动机2、电动机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的 改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋 翼3转速改变量的大小应相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼 3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕Y轴旋转，同理， 当电动机1的转速下降，电动机3的转速上升，机身便绕Y轴 向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。
图2-4 机体坐标系
2.1.2 四旋翼飞行器的工作原理
四旋翼飞行器的运动状态主要通过机体坐标系oxyz中x轴、y轴、z轴上的平动和绕x轴、y轴、z 轴的转动来描述。其中，绕机体坐标系oxyz中x轴、y轴、z轴的转动分别称为横滚运动、俯仰运动 和偏航运动，转动角分别称为横滚角、俯仰角和偏航角；沿机体坐标系oxyz中x轴、y轴、z轴方向 上的平动分别称为前后运动、左右运动和升降运动。
地理坐标系的原点O为多旋翼飞行器的起飞点， OX轴指向地球东向，OY轴指向地球北向，OZ轴 由右手准则确定，垂直于地平面向上，飞行器的 位置(X, Y,Z)即为飞行器重心相对于地理坐标系的 坐标值。
图2-1 地理坐标系
2.1.1 多旋翼飞行器坐标系
图2-9 前后运动示意图
2.1.2 四旋翼飞行器的工作原理
6．左右运动 在图2-10中，增加电动机4转速，使拉力增大，相应减
小电动机2转速，使拉力减小，同时保持其它两个电动机转 速不变，可以实现飞行器的左飞运动。向右飞行与向左飞行 正好相反。
图2-10左右运动示意图
2.1.2 四旋翼飞行器的工作原理
第2章 多旋翼飞行器的飞行 原理和组成
第2章 多旋翼飞行器的飞行原理和组成
2.1 多旋翼飞行器的飞行原理 2.2 多旋翼飞行器的基本组成
2.1 多旋翼飞行器的飞行原理
2.1.1 多旋翼飞行器坐标系 2.1.2 四旋翼飞行器的工作原理
2.1.1 多旋翼飞行器坐标系
1．地理坐标系 地理坐标系E用于研究多旋翼飞行器相对于地
飞行方向 上升 下降 前飞 后飞 左飞 右飞 左旋转 右旋转
表2-1 四旋翼飞行器四轴的运动与四个旋翼的关系
1号旋翼 等量增大 等量减小 等量减小 等量增大 不变 不变 等量减小 等量增大
2号旋翼 等量增大 等量减小 不变 不变 等量减小 等量增大 等量增大 等量减小
3号旋翼 等量增大 等量减小 等量增大 等量减小 不变 不变 等量减小 等量增大
在图2-5中，因有两对电动机转向相反，可以平衡其 对机身的反扭矩，当同时增加四个电动机的输出功率，旋 翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的 重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小 四个电动机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至 平衡落地，实现了沿Z轴的垂直运动。当外界扰动量为零 时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保 持悬停状态。
图2-11 机架
2.2.1 机架
机架的主要作用如下：
（1）提供安装接口。
（2）提供整体的稳定和坚固的平台。
（3）安装起落架等缓冲装备。
2．机体坐标系 机体坐标系B固定在机体上，其原
点与多旋翼飞行器的重心重合。根据机 体坐标系与机臂的相对方向不同，飞行 器的飞行模式一般可分为十字模式和X 字模式。如图2-2、图2-3所示。
图2-2 十字模式
图2-3 X模式
2.1.1 多旋翼飞行器坐标系
2．机体坐标系
在十字模式中，机体坐标系原点o位于机臂交叉中心，x轴和y轴与机臂重合，z轴垂直于机体平面 指向飞行上方，如图2-4(a)所示；将十字模式机体坐标系绕z轴旋转45º，即得到X字模式机体坐标系， 如图2-4(b)所示。
以十字模式为例，说明四旋翼飞行器的飞行原理。假设在各个运动状态中，电动机1和电动机3 作逆时针旋转，电动机2和电动机4作顺时针旋转，规定沿x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋 翼的运动平面上方表示此电动机转速提高，在下方表示此电动机转速下降。
2.1.2 四旋翼飞行器的工作原理
1．垂直运动
垂直运动，即升降控制。十字模式下四旋翼飞行器垂 直运动示意图如图2-5所示。
扭矩来实现。在图2-8中，当电动机1和电动机3的 转速上升，电动机2和电动机4的转速下降时，旋 翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对 机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕Z 轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电动机1、 电动机3的转向相反。
图2-8 偏航运动示意图
2.1.2 四旋翼飞行器的工作原理
图2-6 俯仰运动示意图
2.1.2 四旋翼飞行器的工作原理
3．横滚运动 与图2-6的原理相同，在图2-7中，改变电动机2和
电动机4的转速，保持电动机1和电动机3的转速不变， 则可使机身绕X轴旋转（正向和反向），实现飞行器的 横滚运动。
图2-7 横滚运动示意图
2.1.2 四旋翼飞行器的工作原理
4．偏航运动 四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反
5．前后运动 要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在
水平面内对飞行器施加一定的力。在图2-9中，增加电动机3 转速，使拉力增大，相应减小电动机1转速，使拉力减小， 同时保持其它两个电动机转速不变，反扭矩仍wenku.baidu.com要保持平衡。
按图2-6的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从 而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运 动。向后飞行与向前飞行正好相反。
4号旋翼 等量增大 等量减小 不变 不变 等量增大 等量减小 等量增大 等量减小
2.2 多旋翼飞行器的基本组成
2.2.1 机架 2.2.2 电动机 2.2.3 电子调速器 2.2.4 螺旋桨 2.2.5 电池 2.2.6 遥控系统 2.2.7 飞行控制系统
2.2.1 机架
机架是指多旋翼飞行器的机身架， 是整个飞行系统的飞行载体，所有的部 件和设备都要安装在机架上面。机架下 方安装有起落架，用于支撑全机重量， 避免螺旋桨离地太近而发生触碰，以及 消耗和吸收多旋翼飞行器在着陆时的撞 击能量。
图2-5 垂直运动示意图
2.1.2 四旋翼飞行器的工作原理
2．俯仰运动 在图2-6中，电动机1的转速上升，电动机3的转速下降，
电动机2、电动机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的 改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋 翼3转速改变量的大小应相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼 3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕Y轴旋转，同理， 当电动机1的转速下降，电动机3的转速上升，机身便绕Y轴 向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。
图2-4 机体坐标系
2.1.2 四旋翼飞行器的工作原理
四旋翼飞行器的运动状态主要通过机体坐标系oxyz中x轴、y轴、z轴上的平动和绕x轴、y轴、z 轴的转动来描述。其中，绕机体坐标系oxyz中x轴、y轴、z轴的转动分别称为横滚运动、俯仰运动 和偏航运动，转动角分别称为横滚角、俯仰角和偏航角；沿机体坐标系oxyz中x轴、y轴、z轴方向 上的平动分别称为前后运动、左右运动和升降运动。