旋翼飛行器是通過調節多個電機轉速來改變螺旋槳轉速，實現升力的變化，進而達到飛行姿態控制的目的。 多旋翼飛行原理詳解 以四旋翼飛行器為例，飛行原理如下圖所示，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，因此飛行器平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應全被抵消。與傳統的直升機相比，四旋翼飛行器的優勢：各個旋翼對機身所產生的反扭矩與旋翼的旋轉方向相反，因此當電機1和電機3逆時針旋轉時，電機2和電機4順時針旋轉，可以平衡旋翼對機身的反扭矩。
一般情況下，多旋翼飛行器可以通過調節不同電機的轉速來實現4個方向上的運動，分別為：垂直、俯仰、橫滾和偏航。
旋翼無人機飛行控制技術是針對旋翼無人機的特點和要求，設計和實現的一種控制方法和技術。該技術主要通過控制無人機的電機轉速、槳距等參數，實現對無人機的姿態、位置和速度的控制。 飛控系統是無人機的核心控制裝置，相當于無人機的大腦，是否裝有飛控系統也是無人機區別于普通航空模型的重要標志。目前其導航控制方式已經發展為自主飛行和智能飛行。導航方式的改變對飛行控制計算機的精度提出了更高的要求；隨著小型無人機執行任務復雜程度的增加，對飛控計算機運算速度的要求也更高；而小型化的要求對飛控計算機的功耗和體積也提出了很高的要求。高精度不僅要求計算機的控制精度高，而且要求能夠運行復雜的控制算法，小型化則要求無人機的體積小，機動性好，進而要求控制計算機的體積越小越好。 飛控系統組成模塊 飛控系統實時采集各傳感器測量的飛行狀態數據、接收無線電測控終端傳輸的由地面測控站上行信道送來的控制命令及數據，經計算處理，輸出控制指令給執行機構，實現對無人機中各種飛行模態的控制和對任務設備的管理與控制；同時將無人機的狀態數據及發動機、機載電源系統、任務設備的工作狀態參數實時傳送給機載無線電數據終端，經無線電下行信道發送回地面測控站。按照功能劃分，該飛控系統的硬件包括：主控制模塊、信號調理及接口模塊、數據采集模塊以及舵機驅動模塊等。
模塊功能 各個功能模塊組合在一起，構成飛行控制系統的核心，而主控制模塊是飛控系統核心，它與信號調理模塊、接口模塊和舵機驅動模塊相組合，在只需要修改軟件和簡單改動外圍電路的基礎上可以滿足一系列小型無人機的飛行控制和飛行管理功能要求，從而實現一次開發，多型號使用，降低系統開發成本的目的。系統主要完成如下功能： （1）完成多路模擬信號的高精度采集，包括陀螺信號、航向信號、舵偏角信號、發動機轉速、缸溫信號、動靜壓傳感器信號、電源電壓信號等。由于CPU自帶A／D的精度和通道數有限，所以使用了另外的數據采集電路，其片選和控制信號是通過EPLD中譯碼電路產生的。 （2）輸出開關量信號、模擬信號和PWM脈沖信號等能適應不同執行機構（如方向舵機、副翼舵機、升降舵機、氣道和風門舵機等）的控制要求。 （3）利用多個通信信道，分別實現與機載數據終端、GPS信號、數字量傳感器以及相關任務設備的通信。由于CPU自身的SCI通道配置的串口不能滿足系統要求，設計中使用多串口擴展芯片28C94來擴展8個串口。 系統軟件設計 該系統的軟件設計分為2部分，即邏輯電路芯片EPLD譯碼電路的程序設計和飛控系統的應用程序設計。
邏輯電路程序設計 EPLD 用來構成數字邏輯控制電路，完成譯碼和隔離以及為A/D，D/A，28C94提供片選信號和讀/寫控制信號的功能。該軟件的設計采用原理圖輸入和 VERILOG HDL語言編程的混合設計方式，遵循設計輸入→設計實現→設計校驗→器件編程的流程。系統使用了兩片ispLSI1048芯片，分別用來實現對 A/D，D/A的控制和對串口擴展芯片28C94的控制。 系統應用程序設計 軟件按照功能劃分為4個模塊：時間管理模塊、數據采集與處理模塊、通信模塊、控制律解算模塊。通過時間管理模塊在毫秒級時間內對無人機進行實時控制；數據采集模塊采集無人機的飛行狀態、姿態參數以及飛行參數、飛行狀態及飛行參數進行遙測編碼并通過串行接口傳送至機載數據終端，通過無線數據信道發送到地面控制站進行飛行監控；姿態參數通過軟件內部接口送控制律解算模塊進行解算，并將結果通過D/A通道送機載伺服系統，控制舵機運行，達到調整、飛機飛行姿態的目的；通信模塊完成飛控計算機與其他機載外設之間的數據交換功能。 利用高速DSP控制芯片在控制律計算和數據處理方面的優勢及其豐富的外部資源，配合大規模可編程邏輯器件CPLD以及串行接口擴展芯片28C94設計小型機載飛控計算機，以其為核心設計的小型無人機飛控系統具有功能全，體積小，重量輕，功耗低的特點，很好地滿足了小型無人機對飛控計算機高精度、小型化、低成本的要求。該設計已成功應用于某驗證無人機系統。 無人機的飛行原理及控制方法（以四旋翼無人機為例）： 四旋翼無人機一般是由檢測模塊，控制模塊，執行模塊以及供電模塊組成。檢測模塊實現對當前姿態進行量測；執行模塊則是對當前姿態進行解算，優化控制，并對執行模塊產生相對應的控制量；供電模塊對整個系統進行供電。 四旋翼無人機機身是由對稱的十字形剛體結構構成，材料多采用質量輕、強度高的碳素纖維；在十字形結構的四個端點分別安裝一個由兩片槳葉組成的旋翼為飛行器提供飛行動力，每個旋翼均安裝在一個電機轉子上，通過控制電機的轉動狀態控制每個旋翼的轉速，來提供不同的升力以實現各種姿態；每個電機均與電機驅動部件、中央控制單元相連接，通過中央控制單元提供的控制信號來調節轉速大小；IMU慣性測量單元為中央控制單元提供姿態解算的數據，機身上的檢測模塊為無人機提供了解自身位姿情況最直接的數據，為四旋翼無人機最終實現復雜環境下的自主飛行提供了保障。
現將位于四旋翼機身同一對角線上的旋翼歸為一組，前后端的旋翼沿順時針方向旋轉，從而可以產生順時針方向的扭矩；而左右端旋翼沿逆時針方向旋轉，從而產生逆時針方向的扭矩，如此四個旋翼旋轉所產生的扭矩便可相互之間抵消掉。由此可知，四旋翼飛行器的所有姿態和位置的控制都是通過調節四個驅動電機的速度實現的。一般來說，四旋翼無人機的運動狀態主要分為懸停、垂直運動、滾動運動、俯仰運動以及偏航運動五種狀態。 懸停 懸停狀態是四旋翼無人機具有的一個顯著的特點。在懸停狀態下，四個旋翼具有相等的轉速，產生的上升合力正好與自身重力相等，即。并且因為旋翼轉速大小相等，前后端轉速和左右端轉速方向相反，從而使得飛行器總扭矩為零，使得飛行器靜止在空中，實現懸停狀態。 垂直運動 垂直運動是五種運動狀態中較為簡單的一種，在保證四旋翼無人機每個旋轉速度大小相等的情況下，同時對每個旋翼增加或減小大小相等的轉速，便可實現飛行器的垂直運動。當同時増加四個旋翼轉速時，使得旋翼產生的總升力大小超過四旋翼無人機的重力時，即，四旋翼無人機便會垂直上升；反之，當同時減小旋翼轉速時，使得每個旋翼產生的總升力小于自身重力時，即，四旋翼無人機便會垂直下降，從而實現四旋翼無人機的垂直升降控制。 翻滾運動 翻滾運動是在保持四旋翼無人機前后端旋翼轉速不變的情況下，通過改變左右端的旋翼轉速，使得左右旋翼之間形成一定的升力差，從而使得沿飛行器機體左右對稱軸上產生一定力矩，導致在方向上產生加速度實現控制的。 俯仰運動 四旋翼飛行器的俯仰運動和滾動運動相似，是在保持機身左右端旋翼轉速不變的前提下，通過改變前后端旋翼轉速形成前后旋翼升力差，從而在機身前后端對稱軸上形成一定力矩，引起角方向上的角加速度實現控制的。 偏航運動 四旋翼的偏轉運動是通過同時控制四個旋翼轉速實現控制的。保持前后端或左右端旋翼轉速相同時，其便不會發生俯仰或滾動運動；而當每組內的兩個旋翼與另一組旋翼轉速不同時，由于兩組旋翼旋轉方向不同，便會導致反扭矩力的不平衡，此時便會產生繞機身中心軸的反作用力，引起沿角角加速度。 四旋翼無人機的各個飛行狀態的控制是通過控制對稱的四個旋翼的轉速，形成相應不同的運動組合實現的。但是在飛行過程中卻有六個自由度輸出，因此它是一種典型的欠驅動，強耦合的非線性系統。 |
