互动科普

它和直升机的飞行有什么区别？

我们都知道，直升机是靠旋转螺旋桨而产生升力，而四轴飞行器也是靠旋转螺旋桨而产生升力，只不过是由4个电机带动4副螺旋桨而已。从“升力大于重力”进而起飞来说，二者没什么区别，但在横向稳定方面，二者就有了明显的不同。

直升机的螺旋桨旋转时，机身会逆向旋转。因此，在直升机设计之初，就要考虑到如何消除这个让机身逆向旋转的力矩。现代直升机一般采用旋转尾桨的方式来平衡这个力矩，使得机身能够稳定下来。

而四轴飞行器本来也有这个问题，但是解决的办法要简单得多，只要让2副螺旋桨正转、2副螺旋桨反转，就可以互相抵消力矩。因此，直升机往往带个长长的尾巴，末端有个小螺旋桨（尾桨），而四轴飞行器则不用这么麻烦，无需额外设置什么力矩平衡装置。

在四轴飞行器飞行的每个瞬间，它的受力情况都是非常复杂的。首先，它要受到恒定的重力，但由于飞行姿态的问题，重力的方向经常与飞行器的竖轴不相平行；其次，4个电机转速不同，4副螺旋桨产生的升力（或推力）也不同；第三，螺旋桨旋转方向不同，可能导致飞行器出现横向力矩。这些因素综合在一起后，想要及时控制整个飞行器的姿态就变成了非常复杂的计算题，如果没有搭载飞行控制系统的单片机的协助，而单靠人来逐个控制电机的话，绝对会手忙脚乱、顾此失彼。

从这个角度讲，无论是无线传输技术，还是快速高效的芯片计算，乃至容量大、体积小的锂电池，都为四轴飞行器的诞生和飞天做出了重大的贡献。你也许想不到，这个看起来挺像个玩具的东西，其实涉及了信息传输技术、自动控制、高性能电池等诸多先进技术，真得算个高科技装备呢。

前景很光明

四轴飞行器起源于国外，有的大学还设立了专门机构来研究四轴飞行器，它的发展与应用之路一片光明。

四轴飞行器的核心控制部件是处理器，从某种意义上讲，它也是一种智能机器人。美国宾夕法尼亚大学研制的四轴飞行器，充分地体现其智能化的特性。这些“聪明”的飞行器不仅能完成高难度的动作、避开各种障碍，还能协调一致地完成某个任务，比如到达一座陌生的大楼再传回楼里的地形地图，或者演奏乐器等等。在它的智能属性进一步加强后，未来的四轴飞行器的用途应该更为广泛，比如可以作为报警器去主动寻找入侵者、寻找生化泄露源头、进行夜间巡逻、制服歹徒并解救人质，甚至用它为摩天大楼的用户搬运东西等等。

德国一家飞机制造商则另辟蹊径。这家公司曾多次完成无人机的试飞，最近在德国西南部完成了多轴飞行器长达1分30秒的首次载人试飞，终于使得这种玩具似的飞行器朝着载人飞行的方向发展了一大步。

而美国明尼苏达大学的何斌（Bin He）教授团队，日前成功研制出了世界首款通过人脑控制运行的飞行器。这个项目，起初是为了帮助瘫痪病人以及残障人士能够自理日常生活。这台由人脑控制的四轴飞行器，平均直线飞行速度约为0.69米/秒，能够在人脑的控制下左右飞行并避开一连串气球组成的环形圈。研究人员将脑电图技术运用在脑控飞行器中，控制者通过头上佩戴的“脑电图帽”，将脑电波信号传输进电脑并转换成指令，再通过 Wi-Fi 传输至四轴飞行器，实现遥控。也许在不久的将来，我们将看到这一成果应用于瘫痪病人的日常生活中。

（本文发表于《科学世界》2013年第10期）