四轴飞行器的结构原理及发展方向

　　摘要：四轴飞行器又称四旋翼飞行器、四旋翼直升机，简称四轴、四旋翼。四轴飞行器的四个螺旋桨都是电机直连的简单机构，十字形的布局允许飞行器通过改变电机转速获得旋转机身的力，从而调整自身姿态。因为它固有的复杂性，历史上从未有大型的商用四轴飞行器。近年来得益于微机电控制技术的发展，稳定的四轴飞行器得到了广泛的关注，应用前景十分可观。未来四轴飞行器会广泛运用于安防、建筑等高危领域。下面来看详细介绍。

　　一、四轴飞行器的结构原理

　　四轴飞行器是一个在空间具有6个活动自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），但是只有4个控制自由度（四个电机的转速）的系统，因此被称为欠驱动系统（只有当控制自由度等于活动自由度的时候才是完整驱动系统）。不过对于姿态控制本身（分别沿3个坐标轴作旋转动作），它确实是完整驱动的。

　　与直升机相比，四轴飞行器可以实现的飞行姿态较少，不过基本的前进、后退、平移等状态都可以实现。但是四轴飞行器的机械结构远远比直升机简单，维修和更换的开销也非常小，这让四轴飞行器有了比直升机更大的应用优势。

　　自动控制原理

　　为了保持飞行器的稳定飞行，在四轴飞行器上装有3个方向的陀螺仪和3轴加速度传感器组成惯性导航模块，可以计算出飞行器此时相对地面的姿态以及加速度、角速度。飞行控制器通过算法计算保持运动状态时所需的旋转力和升力，通过电子调控器来保证电机输出合适的力。

　　二、四轴飞行器的发展方向

　　四轴飞行器作为时下最热门的一种飞行器，已经越来越受到广大科学爱好者和商业公司的关注，从amazon的用四轴飞行器为客户投递包裹的设想就可见一斑。可以说四轴飞行器未来的应用前景十分广阔。

　　这里所说的四轴飞行器不是单指四旋翼，是具有一个以上气动旋转轴的飞行器的俗称。

　　四轴飞行器未来发展方向主要有以下几个方面：

　　一是可作为新概念交通工具

　　早在二战时，载人四轴的原型机已经被设计出来，但因为控制技术还跟不上，飞行器因不稳定而无法投入实际应用。

　　二是安保领域

　　随着人工智能的不断发展，配备高清摄像机、各种安保设备的四轴飞行器将广泛应用在公安、消防、家庭和单位安保领域，四轴将成为极度智能、行动敏捷的电子警察、电子消防员、电子保安、电子管家，也许在不久的将来，你会因为有一个会飞的家庭照看机器人而感到无比的贴心和安全。

　　三是建筑领域及其它高危作业环境

　　TED大会上展示的四轴飞行器搭建建筑的视频也许不少爱好者都看过，这是相当有前景的应用，比起3D打印一座房子，用一群微小的四轴飞行器来构建庞大的建筑更加切合实际和灵活髙效，也许有一天你路过建筑工地，看到头顶上不是一群建筑工人在忙碌，而是一群嗡嗡作响的四轴飞行器在井然有序的工作，那个时候你可不要吃惊眼前看到的一切。