图2-1 飞行器结构简图

2.2 飞行器力学特性分析

四轴飞行器拥有两对旋翼，一方面可以利用相互作用的原理来抵消掉各个旋翼产生的反桨矩，另一方面还可以通过调节两对旋翼所产生的扭矩和升力大小，来控制飞行器的飞行姿态，而不需要调节桨叶间的桨矩角，这样简化了控制方式，也减少了控制部件，从而减轻了飞行器的重量，减少能耗。

根据螺旋桨片条理论(Standard Strip Analysis)得到螺旋桨的几何特性和空气流动特性之间的关系：定义空气动力系数CP、CQ(由桨叶的数目、形状、迎角以及所制作的材质等决定)，就可以得到升力P和阻力Q的形式：

P=CPρn2D4； Q= CQρn2D4

其中ρ为空气密度(千克/米)，n为螺旋桨转速(转/秒)，D为螺旋桨直径(米)。通过上式可以看出，当空气密度、螺旋桨直接为定值时，拉力P和阻力Q的大小与螺旋桨转速成正比，当转速增大时，拉力也增大。

由此可见，保持飞行器平衡稳定的运行，关键是要让桨叶产生的反扭矩始终为平衡状态，因此电机的转向需要有正逆两种，同时由上述公式可以得知，扭矩会随着转速的变化而发生改变，因此在飞行姿态改变时，转向相同的电机需要同时改变转速以维持反扭矩的动态平衡状态。

图2-2 飞行器浆矩示意图

2.3 飞行状态

（1）垂直运动

同时增加四个电机的功率，会在桨叶力矩平衡的情况下产生向上的牵引力，当牵引力大于机身重量时，便可实现飞行器的垂直运动；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至落地，即沿Z轴方向运动。当外界扰动量为零时，若牵引力与重量相互抵消，飞行器可以悬停。因此保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。

（2）前后运动

改变电机的转速使得飞行器产生一定角度的倾斜，其旋翼的升力便会在水平方向上产生分力，从而带动整个飞行器的水平移动。由此，增加电机M3转速，相应的，减小电机M2转速，用来保持力矩的平衡，即可实现飞行器的前飞运动。

（4）偏航运动（自旋）

飞行器的偏航运动是通过桨叶产生的反扭矩体现的。当电机M1和电机M4的转速上升，电机M2和电机M3的转速下降时，M1和M4对飞行器的反扭矩大于旋翼M2和旋翼M3的反扭矩，飞行器产生自身绕轴心水平旋转的运动，转向与电机M1、电机M4的转向相反。

（5）航向控制：由上述几种飞行器姿态产生的组合姿态，即前后运动的状态下，同时改变其余两个电机的转速，使其发生偏航运动，从而改变飞行方向。

3 结构优化与设计

3.1 主体支架设计

整个飞行器的立体机架结构是其能够正常飞行的基础，各方面的尺寸都要保证精确度。整个机架都是由3D打印技术制造 (FDM熔融沉积成型) ，所使用的打印材料是PLA，因此，设计机架的厚度为5mm，上方安置控制电路模块，下方固定电源装置。四条轴的末端设计为圆柱圆孔结构用于固定四个电机。