四旋翼飛行器——飛行器世界里的“精靈”

　　[摘要]如今的四旋翼飛行器可以是居民樓前的送貨員，是靚麗風景的空中攝影師，是救災搶險的一線人員。明天它也可能會成為偵探界的福爾摩斯，還沒準是間諜界中的湯姆•克魯斯。

　　四旋翼飛行器“精靈”

　　出品：科普中國

　　制作：北航飛天科普創意團隊

　　監制：中國科學院計算機網絡信息中心

　　一個21世紀的“精靈”

　　四旋翼飛行器是《時代》雜志2014年度評選的十大科技產品之一，是汪峰“頭條”事件里的牽線紅娘。

　　圖1《時代》2014年十大創新工具(上圖)與汪峰求婚。

　　現在的四旋翼飛行器看起來風光無限，但它也曾消沉失意。過去的四旋翼飛行器身輕體弱、走不了長路、負不起重物。相比走“硬漢”風的飛行器家族，四旋翼飛行器一度飽受白眼。

　　從認清自己開始，四旋翼飛行器的命運出現了轉機。

　　認清自己

　　為了認清自己，四旋翼飛行器配備了兩只功能強大的眼睛：一只能看清自己的“位置”，知道自己是在黃山還是泰山，這就是自帶的GPS定位系統;另一只能看清自己的“姿態”，就是知道自己是“坐著”、“躺著”，還是“倒立”，這就是陀螺儀。這兩只眼睛還要和“加速度計”配合使用，才能更準確地知道自己的姿態和位置，以及姿態和位置的改變情況。

　　四旋翼“心里的雙眼”：GPS和陀螺儀

　　所謂GPS定位系統即全球定位系統(Global Positioning System)，是一種以全球24顆定位人造衛星為基礎，向全球各地全天候地提供三維位置、三維速度等信息的無線電導航定位系統。它由三部分構成：一是地面控制部分，由主控站、地面天線、監測站及通訊輔助系統組成;二是空間部分，由24顆衛星組成，分布在6個軌道平面;三是用戶裝置部分，由GPS接收機和衛星天線組成。四旋翼飛行器身上安裝的就是用戶裝置部分。

　　陀螺儀又叫角速度計，就是通過一個不斷旋轉的陀螺記錄“姿態”。它的原理跟小時候玩的抽陀螺一樣，陀螺一旦轉起來，即使地面是斜的，陀螺還是會保持垂直旋轉，具有“定軸性”，我們可以假定這個姿勢是“坐姿”。當四旋翼飛行器“躺下”時，便與坐姿產生了一個夾角，但陀螺儀依然會沿著“躺姿”的軸繼續高速旋轉，具有“進動性”。利用安裝在陀螺儀上的傳感器就可以知道這個夾角的大小和方向，從而確定“姿態”的變化。

　　光有GPS和陀螺儀還不能很好地知道自己準確的“姿態”和“位置”及動態變化的情況，還需要有加速度計的配合。

　　設計者在加速度計的內部配置了兩個電容的連接點，并且在中間放置一個可導電、可晃動的物質，透過監測該物質移動引起的電容改變，得到四旋翼飛行器位置變化的劇烈程度。

　　加速度計

　　認識他人

　　認清了自己之后，四旋翼飛行器還需要認識他人。一般的四旋翼飛行器會配備一架高級相機，這臺高級相機，其實和咱們日常使用的相機是一個原理，只是多了一個高級的視覺處理系統，猶如人的視神經系統一樣，可以感知周邊環境。“相機”分辨率越高四旋翼飛行器就“看”得越清楚。

　　四旋翼飛行器還師從蝙蝠，仿照超聲波測距，配備紅外線發射裝置，通過發射出去的波和反射回來的波之間的時間差，測出目標距離自己有多遠。

　　四旋翼飛行器的高級相機與紅外線測距裝置

　　四旋翼飛行器的結構

　　四旋翼飛行器擁有對稱分布在身體的前后左右的四只“翅膀”，它們在同一高度的平面上，大小完全相同，由四個對稱分布在“翅膀”支架端的電機提供動力，支架中間安放著GPS、陀螺儀、加速度計、感應器、視覺感應系統和紅外線測距裝置等。

　　擁有如此簡單的構架，四旋翼飛行器又是如何飛翔的呢?

　　四旋翼飛行器的四只“翅膀”不停的轉動會提供升力，轉速的改變可以改變升力的大小，從而改變四旋翼飛行器的位置和姿態。另外，相鄰的翅膀要做相反方向的旋轉，這樣才能產生平衡的力矩防止四旋翼在空中“打轉”。

　　下面就讓我們看看四旋翼飛行器的飛行絕技。

　　懸停：四個電機的輸出功率增加，就帶動著四只翅膀的轉速提升，產生向上的升力，當這個升力超出了四旋翼飛行器自身重力時，四旋翼飛行器便起飛了。所謂在空中懸停，就需要四只翅膀轉速帶來的升力和地球施加的重力大小相同，方向相反，也就是“靜若處子”啦。

　　前進：做到懸停之后，四旋翼飛行器又如何前進呢?這需要力的方向發生變化，一定要有使其向前的力，如圖7所示，在懸停的基礎上增加后面翅膀的轉速使得升力增大，減小前面翅膀的轉速使得升力減小，如此四旋翼飛行器的身體便會產生傾斜，翅膀的升力差便會產生向前的分量，四旋翼飛行器便可以向前飛行了。

　　滾轉：如果改變左右兩只翅膀的轉速，即改變力矩，四旋翼飛行器就能在空中實現滾轉。當增大左邊減小右邊電機的轉速或者減小左邊增大右邊電機的轉速時，機體就會傾斜，如此左右不平衡的升力會使得力矩增大，這樣飛行器就可以在空中滾轉了。

　　圖7 四旋翼飛行器的三種飛行動作

　　結語

　　如今的四旋翼飛行器可以是居民樓前的送貨員，是靚麗風景的空中攝影師，是救災搶險的一線人員。明天它也可能會成為偵探界的福爾摩斯，還沒準是間諜界中的湯姆•克魯斯。

　　不管怎樣，四旋翼飛行器都將是那個自由的“精靈”。