四軸飛行器又稱四旋翼飛行器、四旋翼直升機，簡稱四軸、四旋翼。這四軸飛行器（Quadrotor）是一種多旋翼飛行器。四軸飛行器的四個螺旋槳都是電機直連的簡單機構，十字形的布局允許飛行器通過改變電機轉速獲得旋轉機身的力，從而調整自身姿態。具體的技術細節在“基本運動原理”中講述。因為它固有的復雜性，歷史上從未有大型的商用四軸飛行器。近年來得益于微機電控制技術的發展，穩定的四軸飛行器得到了廣泛的關注，應用前景十分可觀。

　　小型的四軸飛行器可以自由地實現懸停和空間中的自由移動，具有很大的靈活性。此外，因為它結構簡單，機械穩定性好，所以成本低廉、性價比很高。主要的應用是玩具、航模，以及航拍，新的應用也在不斷的拓展之中。

　　四軸飛行器組成

　　四軸飛行器由電機、電調、槳、機架、電池、充電器、遙控器、飛控板等部件組成。

　　飛控板

　　飛行控制器（飛控）是飛行器的大腦，飛控板上配置有中央處理器、姿態測量傳感器、無線接收器等器件，飛控板完成自身穩定的飛行，并且它還要從接收器接受信號，并把信號傳輸給電調告訴它如何飛行，其中最困難的在于如何保持飛行器飛行的穩定性。為了保持穩定性，飛控板就需要各種各樣的傳感器完成自身的姿態解算并控制四個電機的輸出動力，使自身保持穩定。

　　電調

　　電調的作用就是將飛控板的控制信號，轉變為電流的大小，以控制電機的轉速。因為電機的電流是很大的，通常每個電機正常工作時，平均有3A左右的電流，如果沒有電調的存在，飛控板根本無法承受這樣大的電流（另外也沒驅動無刷電機的功能）。同時電調的BEC輸出功能在四軸當中還充當了電壓變化器的作用，將11.1v的電壓變為5v為飛控板和遙控接收機供電。在四軸上，4個電調的正負極需要并聯（紅色連一起，黑色連一起），并接到電池的正負極上；電調3根黑色的電機控制線用于連接電機。

　　正反槳

　　四軸飛行為了抵消螺旋槳的自旋，相隔的槳旋轉方向是不一樣的，所以需要正反槳。正反槳的風都向下吹。適合順時針旋轉的叫正漿、適合逆時針旋轉的是反漿。安裝的時候，一定記得無論正反槳，有字的一面是向上的（槳葉圓潤的一面要和電機旋轉方向一致）。

　　四軸飛行器自動控制原理

電路圖

　　典型的傳統直升機配備有一個主轉子和一個尾漿。他們是通過控制舵機來改變螺旋槳的槳距角，從而控制直升機的姿態和位置。四旋翼飛行器與此不同，是通過調節四個電機轉速來改變旋翼轉速，實現升力的變化，從而控制飛行器的姿態和位置。由于飛行器是通過改變旋翼轉速實現升力變化，這樣會導致其動力不穩定，所以需要一種能夠長期確保穩定的控制方法。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直起降機，因此非常適合靜態和準靜態條件下飛行。但是四旋翼飛行器只有四個輸入力，同時卻有六個狀態輸出，所以它又是一種欠驅動系統。

　　為了保持飛行器的穩定飛行，在四軸飛行器上裝有3個方向的陀螺儀和3軸加速度傳感器組成慣性導航模塊，可以計算出飛行器此時相對地面的姿態以及加速度、角速度。飛行控制器通過算法計算保持運動狀態時所需的旋轉力和升力，通過電子調控器來保證電機輸出合適的力。

控制系統結構框圖

　　四軸飛行器運動原理

　　如圖所示，電機1和電機3逆時針旋轉的同時，電機2和電機4順時針旋轉，因此當飛行器平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。

　　四軸飛行器是一個在空間具有6個活動自由度（分別沿3個坐標軸作平移和旋轉動作），但是只有4個控制自由度（四個電機的轉速）的系統，因此被稱為欠驅動系統（只有當控制自由度等于活動自由度的時候才是完整驅動系統）。不過對于姿態控制本身（分別沿3個坐標軸作旋轉動作），它確實是完整驅動的。

　　與直升機相比，四軸飛行器可以實現的飛行姿態較少，不過基本的前進、后退、平移等狀態都可以實現。但是四軸飛行器的機械結構遠遠比直升機簡單，維修和更換的開銷也非常小，這讓四軸飛行器有了比直升機更大的應用優勢。

　　垂直運動

　　圖（a）中，因有兩對電機轉向相反，可以平衡其對機身的反扭矩，當同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉速增加使得總的拉力增大，當總拉力足以克服整機的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時減小四個電機的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實現了沿z軸的垂直運動。當外界擾動量為零時，在旋翼產生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態。保證四個旋翼轉速同步增加或減小是垂直運動的關鍵。

　　俯仰運動

　　圖（b）中，電機1的轉速上升，電機3的轉速下降，電機2、電機4的轉速保持不變。為了不因為旋翼轉速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變，旋翼1與旋翼3轉速改變量的大小應相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，產生的不平衡力矩使機身繞y軸旋轉（方向如圖所示），同理，當電機1的轉速下降，電機3的轉速上升，機身便繞y軸向另一個方向旋轉，實現飛行器的俯仰運動。

　　滾轉運動

　　與圖（b）的原理相同，在圖（c）中，改變電機2和電機4的轉速，保持電機1和電機3的轉速不變，則可使機身繞x軸旋轉（正向和反向），實現飛行器的滾轉運動。

　　偏航運動

　　四旋翼飛行器偏航運動可以借助旋翼產生的反扭矩來實現。旋翼轉動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉，兩個反轉，且對角線上的各個旋翼轉動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉速有關，當四個電機轉速相同時，四個旋翼產生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發生轉動；當四個電機轉速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉動。在圖（d）中，當電機1和電機3的轉速上升，電機2和電機4的轉速下降時，旋翼1和旋翼3對機身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉動，實現飛行器的偏航運動，轉向與電機1、電機3的轉向相反。因為電機的總升力不變，飛機不會發會垂直運動。

　　前后運動

　　要想實現飛行器在水平面內前后、左右的運動，必須在水平面內對飛行器施加一定的力。在圖（e）中，增加電機3轉速，使拉力增大，相應減小電機1轉速，使拉力減小，同時保持其它兩個電機轉速不變，反扭矩仍然要保持平衡。按圖（b）的理論，飛行器首先發生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產生水平分量，因此可以實現飛行器的前飛運動。向后飛行與向前飛行正好相反。當然在圖（b）圖（c）中，飛行器在產生俯仰、翻滾運動的同時也會產生沿x、y軸的水平運動。

　　側向運動

　　在圖（f）中，由于結構對稱，所以側向飛行的工作原理與前后運動完全一樣。

　　四軸飛行控制算法

　　四軸作為一個飛行控制系統，其本身是一個閉環控制系統，具有反饋調節功能，其主要控制過程分為姿態解算和控制過程兩個步驟。

　　（1）姿態解算：姿態解算是借助陀螺儀和加速度計傳感器測量出系統坐標系的3個方向的角速度以及加速度，然后進行卡爾曼濾波做數據濾波+融合處理，最后用四元素算法或者是歐拉角公式求解出慣性坐標系下的俯仰角（pitch）、翻滾角（roll）、偏航角（yaw），這3個角度成為姿態角。

　　（2）控制過程：控制過程就是飛控板不停進行姿態解算并算出來當前時刻的姿態角，然后通過控制算法計算出來當前時刻要對四個電機轉速的控制值，最終使四軸是3個姿態角始終保持在設定的狀態下。如果想要四軸處于懸停狀態，只要把3個目標姿態角都設為0°就行了；如果想要四軸處于其他飛行狀態，只要調整3個目標姿態角就可以了，四軸就會自動的變化到預設的飛行狀態上去。控制算法還是用的PID比較多，不過不是傳統的PID，而是對PID做了改進和優化處理了。