Q1 為什么會寫這些關(guān)于四軸力學(xué)的問題

  個人工作之余的DIY愛好，通過利用網(wǎng)絡(luò)資源，自己DIY一些東西，一來可以學(xué)習(xí)知識，二來感覺比較有趣，另外，通過自己動手不論是軟件硬件的實現(xiàn)了看起來酷酷的功能，自己會比較有成就感。

  準(zhǔn)備使用開源的資源自己做一臺。接觸有一段時間了，一直在看代碼，突然發(fā)現(xiàn)對于怎么組裝，為什么這么組裝，以及飛行控制時對電機控制調(diào)整原理等等一點都還不懂。于是，就花了點時間來做最基本的理解，當(dāng)然該理解是基于最簡單粗暴的方式，我想肯定會有地方想法是錯誤的地方，歡迎拍磚。

  分享一個公開課：http://v.163.com/special/opencourse/aerodynamics.html，關(guān)于空氣流體力學(xué)的，有興趣的童鞋可以看看。

    Q2 為什么能上升

    四軸的升力全來自于螺旋槳，螺旋槳靠電機驅(qū)動高速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)與空氣相互作用，產(chǎn)生上升力，上升力來源有兩種：

    1 空氣的推力

    2 螺旋槳向后推空氣的反作用力

    ? 空氣的推力

    根據(jù)伯努利原理，動能+壓力勢能+壓力勢能=常數(shù)。

    在螺旋槳旋轉(zhuǎn)的過程中，密度、高度、重力常數(shù)均不變，速度v越大，則壓強p越小。

    槳葉上半部距離長，但流過的時間是一樣的，故槳葉上方空氣流速v更大，壓力p更小，由于壓力差的存在，空氣對槳葉有向上的推力。

    ? 螺旋槳反作用力

    螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，槳葉不斷把大量空氣（推進介質(zhì)）向后推去，在槳葉上產(chǎn)生一向前的力，即推進力。

    ? 其它

     一般情況下，螺旋槳除旋轉(zhuǎn)外還有前進速度。如截取一小段槳葉來看，恰像一小段機翼，其相對氣流速度由前進速度和旋轉(zhuǎn)速度合成（如下圖 ）。槳葉上的氣動力在前進方向的分力構(gòu)成拉力。在旋轉(zhuǎn)面內(nèi)的分量形成阻止螺旋槳旋轉(zhuǎn)的力矩，由發(fā)動機的力矩來平衡。槳葉剖面弦(相當(dāng)于翼弦)與旋轉(zhuǎn)平面夾角稱槳葉安裝角。螺旋槳旋轉(zhuǎn)一圈，以槳葉安裝角為導(dǎo)引向前推進的距離稱為槳距。實際上槳葉上每一剖面的前進速度都是相同的，但圓周速度則與該剖面距轉(zhuǎn)軸的距離（半徑）成正比，所以各剖面相對氣流與旋轉(zhuǎn)平面的夾角隨著離轉(zhuǎn)軸的距離增大而逐步減小，為了使槳葉每個剖面與相對氣流都保持在有利的迎角范圍內(nèi)，各剖面的安裝角也隨著與轉(zhuǎn)軸的距離增大而減小。這就是每個槳葉都有扭轉(zhuǎn)的原因。

Ps：螺旋槳旋轉(zhuǎn)時,槳葉剖面弦與旋轉(zhuǎn)平面的夾角稱為槳葉安裝角。

螺旋槳Ref：http://baike.baidu.com/subview/58025/10979442.htm?fr=aladdin

伯努利原理：http://baike.baidu.com/view/553343.htm?from_id=6326783&type=syn&fromtitle=%E4%BC%AF%E5%8A%AA%E5%88%A9%E5%AE%9A%E5%BE%8B&fr=aladdin 

    Q3 為什么需要正槳反槳、電機為什么需要兩組反接

    首先，要說力的作用是相互的，電機轉(zhuǎn)子和螺旋槳轉(zhuǎn)動，必然會產(chǎn)生一個力使機體產(chǎn)生一個反向轉(zhuǎn)動。

    ? 電機電源兩組正接，兩組反接

    試想一向，如果四只電機全都順時針或逆時針，合力矩永遠(yuǎn)不為零，整個機架一直在瘋狂的旋轉(zhuǎn)。為了保證機架能夠穩(wěn)定，需要4只電機，有兩只正向旋轉(zhuǎn)，有兩只逆向旋轉(zhuǎn)，這也是為什么焊接電機電源時需要兩組正接，兩組反接的原因。

    ? 正槳反槳

    由于電機一組是正傳，一組是反轉(zhuǎn)，為了保證產(chǎn)生良好的升力，當(dāng)然是正轉(zhuǎn)電機用正槳，反轉(zhuǎn)的電機用反槳了。

    ? 疑問

    根據(jù)這個分析，臨近兩個使用順時針旋轉(zhuǎn)電機，另外兩個使用逆時針旋轉(zhuǎn)電機，也能保持機架在XZ面上的平衡。但大家都是使用對角為同向電機，這是為什么？難道是為了方便焊接管理？

   Q4 為什么能懸停、旋轉(zhuǎn)、前后左右移動、前后左右空翻

    好了，講完四軸怎么保證機架不受電機反作用力的影響，再來談?wù)勎覍ζ溥\動狀態(tài)的理解。

    ? 懸停

   懸停不動時，四只螺旋槳向上的升力總和等于機架重力G，即

   且F2=F4；F1=F3；

   ? 旋轉(zhuǎn)：

   前面說到的，電機反作用力的合力矩的絕對值越大，旋轉(zhuǎn)越快。

   ? 移動：

   在移動狀態(tài)下，向前、向后、向左、向右移動都是一樣的道理，在這里只詳細(xì)說明向左移動的過程。

   在懸停狀態(tài)下，飛行器要向左飛行首先要調(diào)整自己的姿態(tài)(我也不知道這樣稱呼是否合理，你懂就行)，首先增大F2、減小F4，整個機架左邊抬高，右邊降低產(chǎn)生上圖所示的效果，再調(diào)整F1、F2、F3、F4使之達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，穩(wěn)定時狀態(tài)如下：

   C為空氣阻力系數(shù)，ρ為空氣密度，S物體迎風(fēng)面積；V為物體與空氣的相對運動速度。

   注意：上述的調(diào)整升力F的時候有兩個，首先是調(diào)整姿態(tài)，即在向左運動時“增大F2、減小F4”，此時機架將以Z軸為軸旋轉(zhuǎn)，停止旋轉(zhuǎn)時F2和F4的大小必須是相等的，否則機架將不停的旋轉(zhuǎn)。

   同樣的道理，向右、向前、向后也是先調(diào)整機架姿態(tài)，再維持整機懸空狀態(tài)，由于在懸空狀態(tài)，4螺旋槳還提供向某一方向運動的分力，飛行器就向著這個方向飛去。

   ? 空翻：

 

    道理同移動部分，在左空翻時，“增大F2、減小F4”使機架一直繞Z軸旋轉(zhuǎn)即可達(dá)到左空翻的效果。

結(jié)束：

   再次說明，四軸的飛行涉及到了復(fù)雜的動力學(xué)和控制理論的知識。這里僅僅簡單粗暴的進行分析，僅用于幫助自己理解飛行器的控制，僅在初步理解的階段寫的個人理解，歡迎拍磚，共同學(xué)習(xí)。

  來源：網(wǎng)絡(luò)