简单的讲，顾名思义，Quadrotor就是一种四旋翼(Four Rotors)垂直起降（VTOL, Vertical Taking-Off and Landing）的直升飞机。
结构
Quadrotor的四个 旋翼对称分布在十字行的框架上，对称的一对旋翼转向相同，而相邻的旋翼转向相反。任选其中一个旋翼的方向可作为飞行器的前端。
飞行原理
首先是动态的平衡，quadrotor利用对称分布和相邻旋翼的相反的转动惯量相互平 衡而达到整个机体的动态平衡。
在具体介绍飞行原理之前，首先要介绍一下飞行器的坐标系下的运动。
在笛卡尔直角空间坐标系里共有6种运动，即沿x,y,z轴向的线性运动和围绕轴向的旋转运动。线性运动比较容易描述。旋转运动则 可定义为roll, pitch, yaw。roll运动是围绕机身前后轴的旋转运动；pitch运动是围绕与机身垂直方向轴的旋转运动；yaw运动是围绕机身垂直方向的旋转运动。如图所示。
转动惯量平衡
由于quadrotor的特殊结构，只有保证转动惯量的平衡才能保证quadrotor的动态平衡。公式如下：
k（w1^2+w3^2-w2^2-w4^2）= 0
k是一个常数，w是角速度。
悬停 （hovering）
悬停运动是最基本的运动，此时仅需由4个rotor提供的升力平衡重力，flyer就可以进行悬 停运动。
w1=w2=w3=w4
升降运动
升降运动和悬停运动类似，4个rotor的转速相同。通过改变他们的转速进而改变他们产生的升力，以此控制运动的升降。
Roll运动
Roll运动是围绕前后方向的旋转运动。此运动中，前后转速不变，左右转速相应变化。粗鲁计算时，左右的转速变量近似相 等。但详细计算时会发现，为使转动惯量平衡，左右转速变量明显不同。
Pitch运动
Pitch运动是围绕左右方向的旋转运动。此运动中，左右转速不变，前后转速相应变化。转速计算方法与Roll运动相同。
Yaw运动
Yaw运动相对于roll和pitch运动计算上更为简单，只需同时改变前后和左右的转速即可。但要 保证升力和重力的动态平衡。
动力特性
quadrotor是一个欠驱动系统（underactuated system）。 quadrotor有6个自由度，但却仅有4个自由度直接可控（z轴方向的运动，pitch，roll，yaw），有4个自由度耦合（pitch和x方向的运动，roll和y方向的运动），所以该系统是欠驱动系统。因此在进行转速计算时，必须同时考虑到转动惯量和升力的变化，此外还有运 动时产生的倾角造成的升力损失。所以，系统建模的时候应充分考虑到这些因素。
布局
Quadrotor四旋翼的布局也是有不同的分类的，即cross和X布局。上面图解中的为典型的cross布局，即x和y周与电机的轴线重合；而X布局的x和y轴与电机轴线成45度角。现在从理论上来讲，如果四个电机的特性一致，螺旋桨完美平衡的话，X布局明显比cross布局有优势，因为其x和y轴的运动同时由4个电机完成而非X布局中的两个，所以力矩明显变大，可控的阈度增加。
|
