维基百科上对四轴飞行器的解释是，一种多轴飞行器，有四个旋翼来悬停，维持姿态及平稳飞行。我们通常看到的航拍用的大疆，全是四轴飞行器。通常来说，除去DIY的特殊结构，四轴飞行器的结构可以归结为三类 - “X”型，“+”字形和“H”型图1图2中分别为“X”型和“+”字型的四轴飞行器，从图片中红色三角为机头（前进）方向。“H”型四轴飞行器从姿态控制和电机控制分配方面来看和“X”型四轴飞行器区别不大，明显的区别在于飞行器的物理结构设计，图3为“H”型四轴飞行器的实物图。

图1：“X”型四轴飞行器

图2：“+”型四轴飞行器

图3：“H”型四轴飞行器

“+”型的四轴飞行器因为其电机布局和两个姿态角（俯仰角和翻滚角）重合，其控制难度较小。举个例子，“+”型飞行器想要进行俯仰运动时，只需控制前后两个电机的转速，左右电机转速保持不变即可，所以其控制飞行器稳定的难度较小，相对来说易于控制。

“X”型无人机优点是控制灵活，同样是俯仰运动中，“x”型无人机需要控制四个电机;具体表现为，前两个电机转速同时增大（减小），后两个电机转速同时减小（增大）。因为其运动是四个电机转速同时变化，运动（俯仰运动）的合力来源于四个电机（“+”型只有前后两个电机提供力），所以其运动的加速度更快，运动更加灵活。但是同样，控制四个电机使飞行器稳定的难度要大于控制两个电机，所以控制难度高是“X”型无人机一个缺点。鉴于现阶段商业飞控，开源飞控都已经有很成熟的算法控制飞行器稳定飞行，且“X”型飞行器易于悬挂云台，所以市面上的四轴飞行器绝大部分都是“X”型或“H”型，很少看到有“+”型。

“H”型无人机类似于“X”型，这里就不过多赘述了。只讲其一个缺点，“H”型无人机因为物理结构问题，其飞行器的腰部很容易扭折，所以市面上的“H”型无人机都会对腰部进行加固，但是如果操作不当，还是容易损坏。

四轴飞行器的工作原理

惯性坐标系与机体坐标系

惯性坐标系E（X，Y，Z）是数学中常用的坐标系，（X，Y，Z）坐标代表物体在三维空间中的位置。机体坐标系B（）代表飞机绕X，Y，Z轴旋转的角度。图4是四轴飞行器的两个坐标系。

图4：四轴飞行器坐标系

设飞行器机头朝向X轴正方向，飞机在XOY平面内，Z轴正方向是飞行器上方，则三个角欧拉柯林斯表示为：

俯仰角（pitch）：机体轴与地平面（水平面）之间的夹角，飞机抬头为正;

偏航角（yaw） ：机体轴在水平面上的投影与地轴之间的夹角，以机头右偏为正，又称方位角;

滚转角（roll） ：飞机对称面绕机体轴转过的角度，右滚为正，又称倾斜角。

图5，图6，图7分别为俯仰，偏航，翻滚运动。

图5：俯仰运动

图6：偏航运动

图7：翻滚运动

飞行原理

网上的图全是“+”型飞行器的飞行原理介绍中，“x”型飞行器想找个图都找不到只好自己画了......

单电机受力分析

如图8所示，当电机的轴顺时针旋转时，因为轴上带有螺旋桨（原谅我偷懒没画），所以会产生上升的升力。同时螺旋桨受到风的阻力（逆时针）会沿着轴施加到电机的转子上，转子与定子（电机壳）之间电磁场的相互作用力会把阻力施加到定子上，所以电机壳会对机臂施加一个逆时针的反扭力。总结一下，就是电机顺时针旋转会产生一个逆时针的反扭力。

图8：电机受力分析图

飞行器悬停

四轴飞行器飞行原理如图9，图中四个螺旋桨转速相同，其产生的升力一致且升力的合力与重力相同，反扭力相互抵消，则图8中的无人机处于悬停状态。

图9：悬停状态的飞行器

上升运动

当四旋翼飞行器的四个螺旋桨转速同时上升时，产生的升力的合力大于飞行器的重力，所以飞行器会上升;同理，合力小于重力时，飞行器会下降。

俯仰运动（前进后退）

如图10，当后侧（相对于机头）两个电机转速相同，前侧两个电机转速相同，且后侧电机转速大于前侧时;飞行器前倾，发生俯仰运动同时合力的向前的分力会使无人机前进。

图10：俯仰运动

翻滚运动（左右飞行）

类似俯仰运动，产生翻滚运动时机头左右两侧的电机转速不一（例：右侧两个电机转速相同且大于左侧两个电机转速）;图11显示的即为翻滚运动翻滚运动同时也会带来左右的侧向运动。

图11：翻滚运动

偏航运动

偏航运动相比较于俯仰和翻滚运动有所不同翻滚运动利用的是电机产生的反扭力进行运动当对角的两个电机转速分别相同时，飞行器会保持平衡;但主角线上的电机转速大于副对角线上电机的转速，由此造成飞行器反扭力不能完全抵消，所以会产生图12的偏航运动

图12：偏航运动

讲到这儿，四轴飞行器的基本原理已经讲的差不多，剩下的飞行器建模，欧拉角与四元数之间的转换太过于理论，就不再这篇中详细叙述了，抽个时间单独写一篇这方面的文章。