引言从2016年开始，进入无人机已经仔细计算了两年。 两年来，我自己边学习边摸索，组装机架四轴无人机，修改开源飞控的代码，但由于各种原因，我从来没有写过记录自己学习历史的博客。 最近，当一位csdej问我想要无人机入门的资料时，我发现自己只能拿到保存在收藏夹中的书签。 于是，开始整理，记录自己学习的无人机方向知识，方便别人学习，自己查。
本文主要介绍两个部分，第一部分是四轴飞行器的结构，第二部分以x型四轴飞行器为例，介绍其工作原理，并对惯性坐标系和机体坐标系进行一点介绍，包括部分力学知识。
正文大部分是原创的，少的内容从其他博客和文章中运送。 关于运来的内容，文末附上原文链接。
四轴飞行器的结构在维基百科上就四轴飞行器进行了说明。 是为了悬停保持姿势，顺利飞行，具有4个旋转翼的多功能飞行器。 我们通常看到的航拍大疆，都是四轴飞行器。 通常，除了DIY的特殊结构外，四轴飞行器的结构可以归纳为三种“x”型，“”字形和“h”字形的图1 ~图2中分别为“x”型和“”字形四轴飞行器，从照片上可以看出红色三角为机头(前进)方向。 “h”型四轴飞行器在姿态控制和电机控制分配方面与“x”型四轴飞行器相差不大，明显区别在于飞机的物理结构设计。 图3是“h”型四轴飞行器的实物图。
图1:“X”四核
图2 :“”型四轴飞行器
图3:“H”四轴飞行器
“”型四轴飞行器的电机布局与两个姿势角(俯仰角和侧倾角)重叠，因此难以控制。 举个例子，“”型飞机在想做俯仰运动时，控制前后两个电机的转速即可，左右电机的转速保持不变即可，因此控制飞机稳定的难度低，相对容易控制。
“x”型无人机的优点是控制灵活。 同样，在俯仰运动中，“x”型无人机需要控制4个电机。 具体表示前两个电机的转速同时增大(减小)，后两个电机的转速同时减小(增大)。 由于其运动是4个电机转速同时变化，运动(俯仰运动)的合力来源于4个电机(“”型只有前后2个电机加力) )，其运动加速度更快，运动更灵活。 但是，同样地，控制四个电机来稳定飞机比控制两个电机更难，所以控制难度大是“x”型无人机的缺点。 现阶段由于是商业飞行控制，开源飞行控制已经用成熟的算法控制飞机的稳定飞行，“x”型飞机容易悬挂云台，所以市面上大多数四轴飞行器都是“x”型或“h”型，“
“h”型无人机与“x”型相似，但在此不太赘述。 仅举一个缺点，“h”型无人机是物理结构问题，飞机腰部容易折断，市面上的“h”型无人机虽然加固了腰部，但操作不当还是容易破损。
四轴飞行器的工作原理惯性坐标系和机体坐标系惯性坐标系e(x、y、z )是数学中常用的坐标系，(x、y、z )坐标表示物体在三维空间中的位置。 机身坐标系b ()表示飞机绕x、y、z轴旋转的角度。 图4是四轴飞行器的两个坐标系。
图4 :四坐标系
假设飞机的机头朝向x轴正方向，飞机在XOY平面内，z轴正方向在飞机的上方，则三个角欧拉qfdhc表示：
俯仰角(pitch )机体轴与地平面(水平面)之间夹角，飞机头顶为正
机身轴在偏航角(yaw )水平面上的投影与地轴所成的角，以机头偏右为正，也称为方位角。
侧倾角(roll )飞机对称面以机体轴为中心旋转的角度。 右辊为正，也称为倾斜
角。图5，图6，图7分别为俯仰，偏航，翻滚运动（图片来源于网络）。
图5：俯仰运动
图6：偏航运动
图7：翻滚运动
飞行原理网上的图全是“+”型飞行器的飞行原理介绍中，“x”型飞行器想找个图都找不到只好自己画了......
单电机受力分析如图8所示，当电机的轴顺时针旋转时，因为轴上带有螺旋桨（原谅我偷懒没画），所以会产生上升的升力。同时螺旋桨受到风的阻力（逆时针）会沿着轴施加到电机的转子上，转子与定子（电机壳）之间电磁场的相互作用力会把阻力施加到定子上，所以电机壳会对机臂施加一个逆时针的反扭力。总结一下，就是电机顺时针旋转会产生一个逆时针的反扭力。
图8：电机受力分析图
飞行器悬停四轴飞行器飞行原理如图9，图中四个螺旋桨转速相同，其产生的升力一致且升力的合力与重力相同，反扭力相互抵消，则图8中的无人机处于悬停状态。
图9：悬停状态的飞行器
上升运动当四旋翼飞行器的四个螺旋桨转速同时上升时，产生的升力的合力大于飞行器的重力，所以飞行器会上升;同理，合力小于重力时，飞行器会下降。
俯仰运动（前进后退）如图10，当后侧（相对于机头）两个电机转速相同，前侧两个电机转速相同，且后侧电机转速大于前侧时;飞行器前倾，发生俯仰运动同时合力的向前的分力会使无人机前进。
图10：俯仰运动
翻滚运动（左右飞行）类似俯仰运动，产生翻滚运动时机头左右两侧的电机转速不一（例：右侧两个电机转速相同且大于左侧两个电机转速）;图11显示的即为翻滚运动翻滚运动同时也会带来左右的侧向运动。
图11：翻滚运动
偏航运动偏航运动相比较于俯仰和翻滚运动有所不同翻滚运动利用的是电机产生的反扭力进行运动当对角的两个电机转速分别相同时，飞行器会保持平衡;但主角线上的电机转速大于副对角线上电机的转速，由此造成飞行器反扭力不能完全抵消，所以会产生图12的偏航运动。
图12：偏航运动
讲到这儿，四轴飞行器的基本原理已经讲的差不多，剩下的飞行器建模，欧拉角与四元数之间的转换太过于理论，就不再这篇中详细叙述了，抽个时间单独写一篇这方面的文章。
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