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设备与工具（一）四旋翼无人机是怎么火起来的？
2010年，AR.Drone横空出世；在AR.Drone的引领下，全球范围内都有一股将四旋翼商业化的热潮。2012年DJI相继推出了风火轮系列四旋翼机架、悟空四旋翼飞控和S800六旋翼飞行器。其实，2012年的时候，研发四旋翼产品的人们在热情之余也存有一丝迷茫：四旋翼飞行器是很好玩，但是它除了作为玩具之外，还有什么价值呢？就像AR.Drone被定义成玩具一样，DJI最早的多旋翼产品也被人定义成玩具、航模。这个问题在2013年得到了解答。随着DJI在2013年1月的推出Phantom，四旋翼飞行器市场的形势发生了巨大的变化。Phantom与AR.Drone一样控制简便，新手学习多半个小时就可以自由飞行；Phantom尺寸比AR.Drone大的多，抗风性更好，还具有内置GPS导航功能，可以在户外很大的范围内飞行；更重要的是，当时利用GoPro运动相机拍摄极限运动已经成为欧美国家的时尚，而Phantom提供了挂载GoPro的连接架，让用GoPro相机的人们有了从天空向下的拍摄视角。特别地，与传统的飞机和直升机航拍不同，多旋翼系统小巧灵活，能让拍摄者自由地控制角度和距离。就像iPhone重新定义了手机一样，我们也可以毫不夸张地说：Phantom+GoPro重新定义了航拍，也重新定义了相机。必须承认：四旋翼无人机成为航拍娇子要感谢大疆！
四旋翼采用了四个旋翼的机械结构，四个电机作为飞行的直接动力源，通过改变四个螺旋桨产生的升力来控制，结构和动力学特性得到了简化。如图(a)~图(d)，四旋翼的前桨和后桨顺时针旋转，左右两桨逆时针旋转，这种反向对称结构代替了传统直升机尾旋翼。在飞行过程中，改变四个旋翼的转速，四旋翼将产生各种飞行姿态，使四旋翼向预定方向运动，完成任务。
四旋翼的地面坐标系和机体坐标系：
(1)俯仰角θ，机体轴OX与地面间的夹角。
(2)滚转角φ，机体轴OZ和包含机体轴OX间的夹角。
(3)偏航角ψ，机体轴OX在地面投影与地轴OgXg间的夹角。
（二）四旋翼无人机的运动原型
四旋翼飞行器结构模型如下：
推进器（1、3）、（2、4）为互相对称的两部分。通过改变推进器转子的旋转速度，会使飞行器产生升力，引起运动。因此，通过改变4个推进器的转动速度，我们可以控制飞行器的垂直起降运动。如果相反地控制（2、4）推进器的旋转速度，会引起滚转运动；如果相反地控制（1、3）推进器的旋转速度，会引起俯仰运动；要使飞行器产生偏航运动，则需要通过共同控制（1、2）和（3、4）推进器的旋转速度。
（1）垂向飞行：垂向飞行相对来说比较容易控制，控制方式如图(a)，图中箭头的粗细代表旋翼转速大小。同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，四旋翼无人机向上飞行；反之，同时减小四个电机的输出功率，旋翼转速下降，使得总的拉力减小，四旋翼无人机向下飞行。
（2）纵向飞行：纵向飞行控制方式如图(b)。增加后边电机的输出功率，旋翼转速增加使拉力增大，相应的减小前边电机的输出功率，使拉力减小。这样由于存在拉力差，机身会俯仰倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可控制无人机向前飞行。向后飞行与向前飞行正好相反。
（3）横向飞行：由于四旋翼无人机的结构对称性，横向飞行的控制方式和纵向飞行完全一样，参见图(c)。
（4）水平转动：四旋翼无人机的水平转动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，常规的直升机为了平衡反扭矩的影响，需借助尾桨的作用来实现。四旋翼无人机为了克服反扭矩的影响，使其四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的两个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个旋翼转速相同时，反扭矩互相平衡，无人机不发生转动；当四个旋翼转速不同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼无人机的水平转动。为了使四旋翼无人机按照期望方向作水平转动，可以同时增加一对同方向旋转的旋翼转速并减小另一对旋翼转速，且转速增加的旋翼转动方向与期望的水平转动方向相同。水平转动控制如图(d)。
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