引言

在目前的航空領域中，我們常規的航空飛行器一般可以分成三類：固定翼飛機、直升機、多旋翼。然後，在這三類飛行器當中又延伸出不同構型的固定翼飛機、直升機和多旋翼飛行器。

固定翼飛機根據機翼的數量可以分為單翼機、雙翼機、多翼機等；根據機翼平面形狀又可以分為平直翼、後掠翼、前掠翼、三角翼等；而根據機翼佈局還可以分成常規佈局、鴨翼佈局等。

常規佈局F22猛禽

前掠翼蘇47

三角翼陣風戰鬥機

鴨翼殲20

飛翼B2隱身轟炸機

直升機一般是根據旋翼的個數以及排列形式來分類的，一般有常規的單旋翼帶尾槳直升機、縱列雙旋翼直升機、橫列雙旋翼直升機、共軸雙旋翼直升機、交叉式雙旋翼直升機等。

常規佈局-火力偵察兵

縱列式雙旋翼直升機-CH47

橫列式雙旋翼直升機-米12

共軸雙旋翼直升機-卡50

關於固定翼和直升機的飛行原理，我們後面會單獨進行闡述，今天我們主要是對多旋翼飛行器的飛行原理進行詳細的介紹。多旋翼飛行器的分類一般是根據旋翼的個數以及佈局形式進行。顧名思義，多旋翼無人機旋翼數量應該大於等於3個。

為什麼是四旋翼最常見？

最為常見的就是四旋翼飛行器，大量在售的小型消費級航拍無人機都是四旋翼無人機，這是為什麼呢？為什麼不是三旋翼、六旋翼？關於這點，我先來說明一個大家通常對四旋翼飛行器的誤解，我們在閱讀論文的時候經常會看到這麼一個說法，四旋翼飛行器是一個欠驅動系統，控制輸入是4個電機，而飛行器呢是一個擁有6自由度（三維位置和三軸姿態）的一個物體。而實際上，我們在設計控制器的時候往往不是直接控制飛行器的位置，我們一般都是把對飛行器的位置和速度控制轉換成對姿態和油門的控制，所以最後四旋翼就變成了一個完全驅動系統，因為你只需要控制三個姿態和油門，所以在旋翼數量的選取上，四個是最為合適、最為簡單和經濟的方案。而小於4個旋翼就真的無法同時對3個姿態和油門同時進行控制了，所以一旦四旋翼的某個電機出現故障，飛行器往往無法通過重新分配電機控制來實現穩定飛行，這時候我們只能通過犧牲某個通道的控制來實現飛行器的安全著陸，實際情況中一般是犧牲航向，因為對於四旋翼來說，一般沿X軸和Y軸堆成，航向的控制沒有那麼重要，另外，航向控制的原理和俯仰、滾轉的控制不同，是通過反扭矩來實現，所以在控制上會佔據更多的電機裕度以及更長的響應時間。

“X”型四旋翼

為什麼是“X”型？

關於四旋翼無人機的佈局，我們看到的大部分都是“X”型佈局。這又是為什麼呢？我們知道一般來說四旋翼的佈局有兩種：“X”型佈局和“＋”型佈局。但是，為什麼絕大多數廠商都選取了“X”型佈局，這是因為“＋”型佈局在實現俯仰控制的時候只使用到了前後兩個電機，而在進行滾轉控制時又只使用到了左右兩個電機。“X”型佈局就不同了，無論是俯仰控制還是滾轉控制，四個電機都同時起到了作用，所以在電機使用效率上是大大優於“＋”型佈局的，所以同樣型號的電機螺旋槳使用“X”型佈局在控制能力上會明顯優於“＋”型佈局，這也是為什麼四旋翼飛行器多采用“X”型佈局的原因。

更多旋翼有什麼好處？

除了四旋翼之外，我們常見的多旋翼飛行器還有六旋翼和八旋翼，也有一些對載重和安全要求更高的會採用16旋翼甚至是18旋翼，比如億航的載人無人機億航216是16旋翼，volocopter是18旋翼。一般來說，旋翼數量越多就意味著更大的載重能力和飛行穩定性，通常對於多旋翼來說，我們的基本控制演算法都是一樣的，都是先計算出油門、俯仰、滾轉、偏航四個通道的控制輸出，最後通過控制分配對應到每個電機的輸出上，這個在我們之前的文章裡已經詳細闡述過了，所以，對於六旋翼、八旋翼以及更多旋翼的飛行器來說，他們的控制能力是富裕的，當一個甚至多個電機出現故障停止工作時，我們都能夠通過重新分配控制輸出來實現飛行器的穩定，這就提高了飛行的安全性。想象一下四旋翼載人無人機的某個電機發生故障時只能放棄航向控制，讓飛行器自旋降落，機上的乘客是多麼的崩潰。而六旋翼、八旋翼就不會出現此類問題，有電機出現故障，只要能檢測到哪個電機出現故障，便能夠通過重新分配電機的輸出來實現飛行器的穩定飛行。

16旋翼飛行器-億航216

18旋翼飛行器volocopter

為什麼沒有五旋翼、七旋翼？

在實際應用中，我們看到的多旋翼飛行器一般都是偶數個旋翼，並沒有什麼五旋翼、七旋翼飛行器出現，這又是為什麼呢？首先，螺旋槳在旋轉時會產生反扭矩，如果是奇數個旋翼，那麼反扭矩就很難實現平衡，所以一般都是偶數個旋翼。而偶數個旋翼是否在振動方面優於奇數個旋翼佈局，我就不是特別清楚了，一般來說發動機的缸數都是偶數個的比奇數個振動要小。

多旋翼家族的異類

在多旋翼家族還有一個奇數旋翼的例外，那就是三旋翼無人機，三旋翼無人機一般採用3個旋翼加一個可控的舵機來控制電機的方向，從而抵消它的反扭矩。這種佈局在現實情況中很少使用，因為在控制上增加了很大難度，而舵機的壽命又相對比較短，優勢也不是非常明顯，所以一般除了愛好者自行研究之外，也沒有在實際工程中廣泛使用。

三旋翼飛行器

在之前的文章中，我們對多旋翼的動力學、運動學模型進行了詳細的推導，但關於多旋翼的飛行原理卻並沒有進行過解釋，按道理來說應該先進行飛行原理的介紹，再進行數理建模，所以，我們在下一篇內容中會對常見的四旋翼和六旋翼飛行器的飛行原理進行簡單的闡述，之後大家有興趣的話也會對三旋翼飛行器的飛行原理做一個詳細的介紹。

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