4軸 DIY 緣起

多旋翼飛行器有大型、小型、4軸、6軸分別，不論買成品或DIY，取得不困難，成品有便宜（小型），有高價的（空拍）。最近RC多軸飛行器很火熱，主要在多軸可以空中懸停，很適合空拍及物流掛載，操作沒有傳統遙控飛機難，各種飛控程式都是免費開放源代碼，網路有數不盡的資料，照著步驟DIY 很容易成功。

在接觸崁入式單晶片Arduino、Raspberry PI 後，發現多軸飛控核心，多採用Arduino，而且源代碼是開放的，很適合學習及DIY。在經過網路搜尋，發現材料不貴，取得不難，參考文章也很多，DIY 一部可以飛的 4 軸，應該可行。

四軸飛行器是用對稱的四旋翼為動力，進行（1）垂直運動；（2）俯仰運動；（3）滾轉運動；（4）偏航運動；（5）前後運動；（6）側向運動，六個狀態。人為同時協調控制四個旋翼完成六個狀態是非常困難，現在的 4 軸飛行器需要，三軸陀螺儀，三軸加速度，三軸磁場，高度氣壓，以便電腦感測控制（1）偏航 (YAW)；（2）俯仰 (PITCH)；（3）翻滾 (ROLL) 的飛行狀態。另一氣壓感測和螺旋槳效率成比例，作為風門 ( Throttle ) 修正使用。

以Y軸(前進軸)轉動 –ROLL 翻滾 (由副翼控制)

以X軸(機翼軸)轉動 –PITCH 俯仰 (由昇降控制)

以Z軸(t垂直軸)轉動 –YAW 偏航 (由舵控制)

多旋翼電機 (馬達) 的類型主要為無刷和有刷，大型四軸要用無刷電機，扭力大。微型 mini四軸用的是有刷電機，重量輕。螺旋槳分正槳和反槳，飛控會同時控制4個電機，為了抵銷4個螺旋槳的作用力，其中一個對角的2個電機順時鐘轉動，另一個對角的2個電機必須逆時鐘轉動。逆時鐘轉動的電機配正槳 (槳會標P)，順時鐘轉動的電機配反槳 (槳會標R)，使得風向下吹送。

   

 


這是網路上找到的資料，可以了解多旋翼如何飛行，原文連結。

（1）垂直運動 :

同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉速增加使得總拉力增大，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於飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態。




（2）俯仰運動 :

繞著y軸 (可以想成機翼) 轉動。電機1 加速/電機3 減速/電機2 平速/電機4 平速 (為了不改變整體總拉力及扭矩力，旋翼1與旋翼3轉速增減量應相等)，由於旋翼1的升力增加，旋翼3的升力減少，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減速，電機3加速，機身便繞y軸向另一個方向旋轉，實現飛行器的俯仰運動。




（3）滾轉運動 :

繞著x軸 (可以想成機身) 轉動。與上圖的原理相同，在左圖，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軸轉動（正向和反向），實現飛行器的滾轉運動。





（4）偏航運動 :

由於空氣阻力，旋翼轉動會產生與轉動方向相反的反扭矩，所以四旋翼設計順時針及逆時針排列，當四個電機轉速相同時，四個旋翼產生的反扭矩達到平衡，四旋翼飛行器不發生轉動。當四個電機轉速不完全相同時或其中一個螺旋槳故障，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器旋動。
繞著z軸 (可以想成機身垂直方向) 轉動。在左圖，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對機身的反扭矩大於旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在反扭矩的作用下繞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。

（5）前後運動 :

在左圖，增加電機3轉速，使拉力增大，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。
按理論，飛行器會發生傾斜，使旋翼拉力產生水平力量，因此可以實現飛行器的前飛運動。向後飛行與向前飛行正好相反。
當然飛行器也會產生俯仰、翻滾，飛控電腦需要隨時修正俯仰、翻滾運動，只保持水平向前或向後力量。


 （6）側向運動 :

在左圖，由於結構對稱，所以側向飛行的工作原理與前後運動一 樣，由改變電機1和3，變成改變電機2和4。
 

其他相關資料會在多軸飛行器欄位陸續增添。