基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计(19)

四旋翼飞行器飞行时螺旋桨高速旋转会产生与螺旋桨转向相反的反扭矩。反扭矩会造成飞行器沿着螺旋桨旋转的方向自旋，若不能抵消反扭矩会严重影响飞行器的稳定飞行，因此，四旋翼飞行器通过合理地安排四只螺旋桨的转向来抵消各个螺旋桨产生的反扭矩。如图2-1（b）所示为十字型飞行方式的四旋翼飞行器，其中顺时针编号1、2、3、4，为了抵消螺旋桨的反扭矩，因此，使得1、3号螺旋桨顺时针旋转，2、4号螺旋桨逆时针旋转，即对角线上的螺旋角旋转方向相同，以此抵消相互之间的反扭矩[6]。

四旋翼飞行器的飞行方向与速度都是由飞行器的倾角决定的，飞行器的倾角方向即飞行器的前进方向，而飞行器的倾角越大，其飞行速度也越快。通过调节各个螺旋桨的转速可以达到控制飞行器的姿态、速度、甚至是飞行路径的效果。其中，四旋翼飞行器飞行的姿态控制主要包括高度控制、俯仰角控制、横滚角控制、偏航角控制，可以继续分为：上升、下降、前倾、后倾、左倾、右倾、左旋、右旋。本文采用了十字型的飞行方式，因此着重对十字型飞行方式的姿态控制原理进行分析：

(1) 高度控制：当四个螺旋桨转速相同时，当其同时加速时，螺旋桨升力变大，当升力大于飞行器重力时，飞行器拥有向上运动的加速度；当四个螺旋桨同时减速时，螺旋桨产生的升力变小，当升力小于飞行器重力时，飞行器拥有向下运动的加速度。

(2) 俯仰控制：本文将1、3号螺旋桨所在的轴向方向定义为X轴方向，2、4号螺旋桨所在的轴向方向定义为Y轴方向，因此，绕着Y轴方向旋转时，所进行的控制为俯仰控制。2号螺旋桨转速减小，4号螺旋桨转速增加，飞行器产生左倾；反之，则右倾。

(3) 横滚控制：与俯仰控制相似，绕着X轴方向旋转时，所进行的控制为横滚控制。1号螺旋桨转速减小，3号螺旋桨转速增加，产生前倾；反之，则后倾。

(4) 航向控制：当1、3号螺旋桨转速同时减小，其反扭矩和升力减小；2、4号螺旋桨转速同时增加，其反扭矩和升力增加，由于反扭矩出现不平衡，因此飞行器开始左旋；反之，则右旋。

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