玩過竹蜻蜓的朋友都知道：借助竹蜻蜓槳葉的迎角，搓動竹蜻蜓產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的速度后，槳葉就會產(chǎn)生升力，帶動竹蜻蜓起飛。同理，多旋翼飛機或直升機也是由電機/發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)，使螺旋槳產(chǎn)生升力而飛起來的。比如四旋翼無人機，當飛機四個螺旋槳的升力之和等于飛機總重量時，飛機的升力與重力相平衡，飛機就可以懸停在空中了。

一、?升力影響因素

雖然都是依賴螺旋槳的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力，在影響旋翼產(chǎn)生升力的要素中以下3個在多旋翼和直升機中具有明顯不同：

槳葉直徑：槳葉直徑增大，一方面增加了槳葉面積，另一方面增大了槳尖的切向速度，增加了槳葉的空氣動力。直升機一般旋翼少，槳葉直徑就會很大，會遠超飛機機體的覆蓋范圍。多旋翼旋翼數(shù)量4個起步（3個的也有），槳葉直徑就可以做的比較小；

槳葉迎角：槳葉迎角增加，增加槳葉的迎風面積，從而增加槳葉的空氣動力；

槳速：槳速自然是越大，越能提供更強的升力；

正是由于上述內(nèi)容，決定了多旋翼和直升機最主要的區(qū)別表現(xiàn)在旋翼系統(tǒng)的設(shè)計上，進而決定了多旋翼和直升機的實現(xiàn)原理截然不同，使兩種飛行器的應(yīng)用方向產(chǎn)生比較大的區(qū)別。

二、?直升機飛行原理

不難想象，控制一臺飛行器的關(guān)鍵是升力（上升下降）和前后左右橫移的控制，即空間6個方向的控制。我們也從這兩個方面的控制來說明多旋翼和直升機的飛行原理。

■?直升機升力控制

直升機飛行時，帶有一定迎角的槳葉高速旋轉(zhuǎn)會形成一個帶有一定錐度、底面朝上的大錐體，稱為旋翼椎體。當向上的拉力大于直升機自重，直升機就上升，小于直升機自重，直升機就下降，剛好相等，直升機就懸停。

直升機的槳葉一般都比較大，通常的轉(zhuǎn)速也也非常高，因而它具有極大的轉(zhuǎn)動慣量，如果想要通過變轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)旋翼拉力的變化，這個過程會非常的緩慢，旋翼的機動性將會變得非常差。所以直升機采用發(fā)動機恒速，通過改變槳葉迎角的方式來改變升力。所以直升機設(shè)計出“自動傾斜器”，以改變槳葉迎角，如下圖：

■?直升機橫移控制

解決了直升機的升降問題，那如何解決直升機在空中的平移問題呢，即飛機在空中前后左右的移動，其實同樣也是通過上面我們提到的“自動傾斜器”來實現(xiàn)。

當旋翼上的所有槳葉迎角都增大或減小的時候，實現(xiàn)的是飛機上升和下降。當旋翼上的槳葉轉(zhuǎn)動到飛機前方的時調(diào)整槳葉迎角減小，產(chǎn)生的升力跟著下降，槳葉轉(zhuǎn)動到飛機后方時調(diào)整槳葉迎角增大，產(chǎn)生的拉力也跟著增加。從而實現(xiàn)直升機向前方飛行，向其他方向飛行的實現(xiàn)方式類似。

通過調(diào)整“自動傾斜器”的傾斜方向，即可周期性調(diào)節(jié)各個槳葉的迎角，就可以改變旋翼拉力的方向，控制旋翼椎體向前后左右各方向的傾斜，實現(xiàn)飛機的在水平四個方向的橫移。如下圖所示：

三、?多旋翼飛行原理

回到多旋翼飛行器上，它同樣也是通過螺旋槳產(chǎn)生的力，實現(xiàn)飛機的升降和在水平四個方向的橫移。不同于直升機會安裝一個尾槳用于抵消螺旋槳產(chǎn)生的扭力，多旋翼往往利用對不同旋翼實施相反方向的旋轉(zhuǎn)，以抵消單個旋翼產(chǎn)生的扭力。市面上最常見的四旋翼，通常采用“X”布局，電機的旋轉(zhuǎn)方向如下：

從上一部分“直升機的飛行原理”，我們了解到直升機的構(gòu)造是比較復雜的，這個復雜體現(xiàn)在多方面。從最直觀的結(jié)構(gòu)上來看，直升機發(fā)動機提供的動力經(jīng)由主減速器調(diào)整，按規(guī)定的轉(zhuǎn)速和扭矩分別分配給主槳、尾槳、液壓泵、發(fā)電機等部件。槳轂的主軸頂端連接著各個槳葉部件，動力通過槳轂傳輸至各槳葉，前文提到的“自動傾斜器”就是槳轂的一部分，槳轂是直升機操控的核心。

顯然如果我們按照直升機的思路為多旋翼的每個旋翼設(shè)置一套這樣的系統(tǒng)，大量的零部件會導致整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性迅速變差，并且直升機的控制算法本身就比多旋翼難度大，多套旋翼的控制算法難度更會陡然增大，所以直升機的這套系統(tǒng)在穩(wěn)定性、可行性、經(jīng)濟性方面在多旋翼上都不具可行性。

那么多旋翼的飛行控制是通過什么方式實現(xiàn)的呢？有別于直升機通過控制槳葉迎角的方式，多旋翼飛機通過調(diào)整轉(zhuǎn)速進行飛行控制。

■?垂直升降

這個很好理解，當飛機需要升高高度時，四個螺旋槳同時加速旋轉(zhuǎn)，升力加大，飛機上升。當飛機需要降低高度時，同理，四個螺旋槳會同時降低轉(zhuǎn)速，飛機下降。

■原地旋轉(zhuǎn)

當多旋翼飛機的各個電機轉(zhuǎn)速相同時，電機產(chǎn)生的反扭力會互相抵消，飛機不會發(fā)生轉(zhuǎn)動。

但是當需要飛機原地旋轉(zhuǎn)時，我們就可以利用這種反扭矩，M2、M4兩個順時針旋轉(zhuǎn)的電機轉(zhuǎn)速增加，M1、M3號兩個逆時針旋轉(zhuǎn)的電機轉(zhuǎn)速降低，由于反扭矩影響，飛機就會產(chǎn)生逆時針方向的旋轉(zhuǎn)。同時由于是“X”型結(jié)構(gòu)對側(cè)的電機同時增加或者降低轉(zhuǎn)速，也保證了飛機的平衡。

■?水平移動

以四旋翼為例，當需要按照三角箭頭方向前進時，M3、M4電機螺旋槳會提高轉(zhuǎn)速，同時M1、M2電機螺旋槳降低轉(zhuǎn)速，由于飛機后部的升力大于飛機前部，飛機的姿態(tài)會向前傾斜。這時螺旋槳產(chǎn)生的升力除了在豎直方向上抵消飛機重力外，還在水平方向上有一個分力，這個分力就讓飛機有了水平方向上的加速度，飛機也因而能向前飛行。

向其他方向的移動，實現(xiàn)方法亦然。

■?多旋翼系統(tǒng)設(shè)計難點

由于多旋翼通過調(diào)整各個螺旋槳的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)升降和水平方向的移動，那么其螺旋槳的設(shè)計就很簡單了，螺旋槳可以直接連接在電機上（小型無人機），如下圖：

多旋翼系統(tǒng)除了電機完全沒有任何機械裝置，相對于常規(guī)直升機旋翼的復雜控制機構(gòu)，多旋翼這一套幾乎完全由電子裝置組成的反饋控制系統(tǒng)顯得特別簡潔而可靠。

但是多旋翼系統(tǒng)的難點在于如何快速的根據(jù)正向反饋（飛行指令）、負向反饋（風力影響、自動避障）來調(diào)整各旋翼的速度。這就要求“姿態(tài)傳感器--飛控--電機&槳”這套反饋系統(tǒng)具有極高的系統(tǒng)響應(yīng)速度。反饋系統(tǒng)必須在很短的時間內(nèi)檢測到飛機的正負向反饋，并解算出恢復原狀態(tài)（懸?；蝻w行）所需的“解決方案”，然后迅速改變各個電機轉(zhuǎn)速來糾正飛機的姿態(tài)。

如果系統(tǒng)響應(yīng)過于遲緩，那么當飛控解算出“解決方案”并指揮電機改變轉(zhuǎn)速的時候，飛機的姿態(tài)已經(jīng)發(fā)生了更大的變化，導致之前的解決方案已經(jīng)過時，那飛機就無法回復到原狀態(tài)，進而進入失控狀態(tài)。所以，對多旋翼系統(tǒng)而言，響應(yīng)速度是至關(guān)重要的。而響應(yīng)速度在姿態(tài)傳感器和飛控這兩個純電子部分的延時是非常有限的，可忽略不記，主要矛盾都集中在電機&槳這個機械裝置部分。

為解決這個問題，增大電機的功率并減小螺旋槳的慣量，盡可能形成“大馬拉小車”的格局。通常多旋翼飛機在正常飛行的狀態(tài)下，實際上電機功率（轉(zhuǎn)速）都處于中間狀態(tài)，也就是要留下足夠的功率用來增速，以確保“電機&槳”這部分的快速響應(yīng)能力。所以導致四旋翼系統(tǒng)的功率—載荷效率很低，因為一小半的功率都用于儲備著隨時糾正飛機姿態(tài)。

多旋翼的飛行器的設(shè)計結(jié)構(gòu)決定了其承載性能和留空時間都遠低于直升機，但是其簡易的結(jié)構(gòu)，成熟簡易的飛控算法確也同樣決定了其操作的便捷性和高可靠性，使其在民用等低成本應(yīng)用市場占據(jù)了主導地位。就說咱們的地理信息行業(yè)，能穩(wěn)定的飛在天上，簡易易用才是王道。