四轴无人机左右摆动原理

核心结论先行

四轴无人机的左右摆动（偏航）不是靠左右两侧的螺旋桨直接反向转动来实现的，而是利用了反扭矩和牛顿第三定律的原理。

通过改变左右两侧两组螺旋桨的转速差，来产生一个不平衡的旋转力矩，从而让整个无人机机身发生旋转。

深入解析：三大核心原理

要理解这个原理,你需要先了解三个基本概念：

螺旋桨的“反扭矩”（Reaction Torque）

这是最关键的一点。

• 原理：根据牛顿第三定律（作用力与反作用力），当螺旋桨旋转时，它会推动空气向下流动，给空气一个向下的力（作用力），空气会给螺旋桨一个大小相等、方向相反的向上的力,这个向上的力就是无人机的升力。
• 反作用力矩：螺旋桨在旋转时，空气不仅会阻碍其向上推动，还会在旋转平面上产生一个与旋转方向相反的阻力，这个阻力会传递到电机和机身上，形成一个试图让无人机机身向螺旋桨旋转的相反方向旋转的力矩，这个力矩就是反扭矩。

你可以用一个简单的实验来理解：启动一个手持电风扇，你会感觉到风扇不仅吹出风，整个风扇本身也有一个试图“扭”你手腕的力,这就是反扭矩。

四轴无人机的“对角”布局

绝大多数四轴无人机都采用X型或十字型布局，并且有一个非常重要的特性：对角线上的两个螺旋桨旋转方向相同，而相邻的两个螺旋桨旋转方向相反。

我们以最常见的X型布局为例,并给电机编号：

• 电机1 (M1) 和 电机3 (M3)：顺时针 旋转
• 电机2 (M2) 和 电机4 (M4)：逆时针 旋转

为什么这样设计？ 为了抵消旋转,假设所有电机转速相同：

• M1和M3产生的反扭矩会让无人机逆时针旋转。
• M2和M4产生的反扭矩会让无人机顺时针旋转。
• 由于M1/M3与M2/M4是对称的，产生的反扭矩大小相等、方向相反，所以相互抵消，无人机既能产生向上的升力，又不会自转,可以稳定悬停。

左右摆动（偏航）的实现过程

我们来看如何利用以上原理来实现左右摆动。

假设我们想让无人机向左转（从上方看，机头逆时针旋转）。

1. 增加左侧电机转速：我们增加电机1和电机2的转速,它们位于无人机的左侧。
2. 增加右侧反扭矩：
   • 电机1转速增加，它产生的反扭矩（试图让无人机向右转的力）增大。
   • 电机2转速增加，它产生的反扭矩（试图让无人机向左转的力）也增大。
3. 产生净旋转力矩：
   • 现在我们看左右两侧的总反扭矩：
     • 左侧总反扭矩 = M1的增大反扭矩 + M2的增大反扭矩
     • 右侧总反扭矩 = M3的原始反扭矩 + M4的原始反扭矩
   • 因为左侧两个电机的转速都增加了，所以左侧产生的总反扭矩远大于右侧。
4. 无人机开始旋转：
   • 这个左右不平衡的反扭矩，就形成了一个净的、顺时针方向的旋转力矩。
   • 根据牛顿第三定律，这个力矩会推动无人机整体向逆时针方向旋转（机头向左）。

• 向左转：增加左侧（M1, M2）电机的转速。
• 向右转：增加右侧（M3, M4）电机的转速。

在这个过程中，无人机的总升力会略微增加，因此飞控系统会同时略微降低另外两个对角电机的转速（向左转时降低M3和M4的转速），以维持总升力不变,保持高度稳定。

电机转速与运动关系总结

为了让你更清晰地理解,这里有一个完整的表格：

实际应用中的飞控

这个复杂的转速计算都是由无人机的“大脑”——飞控来完成的，当你摇动摇杆给出“向左转”的指令时：

1. 陀螺仪感知到无人机当前没有旋转。
2. 飞控接收到你“向左转”的指令。
3. 飞控计算出需要增加左侧电机的转速。
4. 飞控向左侧电机的电调 发送信号。
5. 电调调整供给电机的电流,使左侧电机转速增加。
6. 无人机开始向左旋转，陀螺仪持续监测旋转速度，并不断微调电机转速,直到达到你期望的旋转速度并保持稳定。

希望这个详细的解释能帮助你彻底理解四轴无人机左右摆动的原理！

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