互动科普

外形很科幻，飞起来却很简单。连英国的寿司店都开始用四轴飞行器送餐了，还不快点来认识认识它？

看过电影《复仇者联盟》的朋友，想必都对片中那艘巨大的航空母舰记忆犹新。它从海面缓缓升起，直上蓝天，最终消失在云间，真是个庞然大物！

不过，那毕竟是电影。现实生活中更让人印象深刻的，大概要数一家英国的连锁寿司店了。不久前，它使用一款名为iTray的小型飞行器，为点餐的顾客送上一份份新鲜的寿司，据说比店员步行送餐快6倍。这个消息一下传遍了世界，很多人都被这个创意十足的点子给迷住了。而照片中这个怪模怪样的飞行器，其实就是四轴飞行器。

什么是四轴飞行器？

所谓四轴飞行器，就是由4个涡轮构成动力系统的一种飞行器。它的结构并不复杂，可以分为飞行器和遥控器两大部分。

飞行器部分，是整个四轴飞行器的核心。它的基础构成，包括1个机架、1块飞行控制板、1块电池、1个平衡充电器、4个直流无刷电机、4个电子调速器和4副螺旋桨。

这个构成说起来简单，里头还是有挺多门道的，下面我们就来看看怎样选择各个部件吧。

机架，是整个飞行器的骨骼和连接件，越轻、越坚固越好。

飞行控制板，接收来自遥控器的无线信号，负责飞行数据采集、处理和发出动作指令，可以说是飞行器的中枢。

电池，最好采用重量轻、容量大的锂电池，这样起飞效率最高。值得注意的是，四轴飞行器使用的电池并不是日常使用的普通锂电池，而往往是航模专用电池。这种电池的特点是放电速度较快，电池上也会有特殊的标记“C”。一般来说，C值大的电池放电速度快，动力强。

平衡充电器，是为了解决多节锂电池串联在一起充电时，某些电池可能出现充电不饱满的情况。

直流无刷电机，是飞行器的发动机。之所以不选普通电动机，是因为直流无刷电机没有碳刷易损件，运行不产生电火花，寿命长、转速高，而且动力输出较强。在电机外壳会标注它的KV值，这个值等于电压乘以转速。比如电机外标注2600KV，那就是说在12.6伏的电压驱动下，它每分钟可以转2600×12.6=32760圈。因此，这个KV值代表了电机的转速，转速过高就只能用直径较小的螺旋桨，因而会影响整个飞行器的性能。相对来说，尺寸大的电机，动力也强，适合于尺寸大一些的飞行器。

电子调速器，简称电调，主要用来给飞行控制控制系统和电机供电。这是个承上启下的部件，其他配置相同时，电调的A值越高，容许通过的电流越大，提供的动力也就越强。此外，由于飞行器1秒内可能发出几百个指令，所以电调的响应一定也要快。

螺旋桨，记住要正桨和反桨各2副，这样装配在四轴飞行器上，可以互相抵消横向的力，避免飞行器自旋。

以上这些，就是基础的组成部件。在这个基础上，飞友们尽可以根据自己的实际要求，在机架上安装其他部件和设备，以实现不同的功能。比如加上GPS设备可以实现定位，加上超声波设备可以定高，加上无线图传设备可以传送空中的实时画面到地面站，加上摄像器材可以实现航拍等。

遥控器部分就简单多了。得益于近年来高速发展的无线传输方式，飞行器的遥控已经变得简单了很多。我们可以使用任何能够发送无线信号的设备，比如手机或平板，利用Wi-Fi或蓝牙等通讯方式进行遥控。如果是小四轴飞行器，还可以使用2.4G无线技术来进行遥控。当然，专用的无线收发模块也能用来遥控。

支持定速巡航、支持GPS定位的监视用四轴飞行器。

怎么飞起来？

四轴飞行器的4个角上各装着一副旋翼，4个驱动旋翼的电机呈十字形排列。在飞行器的中心部位是飞行控制板，机身下方是电池。收到遥控信号后，飞行控制板控制4只电机分别带动4副螺旋桨旋转并产生推力。由于这个推力竖直向下，因此对飞行器而言，它就成为了升力。当对角两个轴产生的升力相同时，力矩平衡, 整个飞行器不会向任何方向倾转。

因此，它的工作原理也并不复杂。螺旋桨旋转时产生的升力大于整个四轴飞行器的重力时，飞行器就可以腾空而起。在地球上，物体受到的重力基本是一个固定值，因此我们仅需控制升力的大小，就可以控制飞行器自如升降，这也是飞行控制板所起到的作用。

它的重心在4个电机的中心，想朝哪个方向飞行，就先要使重心往哪个方向倾斜。为了实现这个目的，飞行控制板就会控制前进方向的机头电机转速小于后退方向的机尾电机转速，机头就会略低于机尾的高度，使飞行器保持一个倾斜的角度，这样它就会向着某个方向飞行了。

那么，怎样使飞行器在空中转向呢？其实，它的转向就如我们转身，只需要附加一个扭力就可以实现。四轴飞行器的转向和俯仰动作也是通过控制4个电机的转速来实现的，对角方向的2对电机转速不等时，飞行器将在水平面上绕自身旋转，如果只有1个电机与其他电机转速不等，将导致俯仰动作。无论是升降、转向还是俯仰，这些动作都需要飞行控制系统的单片机（即单芯片微型计算机）计算并向电机发出指令。在实际操作中，单片机可以在1秒钟内发出几百个指令，高速、连续地微调各电机的相对转速，进而实现上述动作。通过这些动作的组合，就实现了四轴飞行器的飞行。

四轴飞行器的半径越小，它的转弯速度就越快。所以小四轴飞行器能够做很多的特技表演，如单次空翻、连续空翻、抛飞等。其中，完成一次单次空翻仅需要半秒钟，而连续空翻的时间稍长。工程师在设计时，先将特技飞行预先分解为若干个动作，再映射为一系列指令，并存入遥控器中。操作者通过遥控器发出这些指令，飞行器上的处理器就会根据加速度计和陀螺仪反馈的信息算出应该怎样控制螺旋桨做怎样的动作，指导飞行器完成一系列的特技表演。

（本文发表于《科学世界》2013年第10期）