中国卫星导航定位协会

编者按：对于一项新科技，围观总是多于实干，无人机也不例外。但随着无人机成本的降低，相当一批人开始入手，并应用到旅游、直播、救灾等场景中。无人机进入消费领域。本文作者Rhett Allain是路易斯安纳大学的物理学教授，他在“How Do Drones Fly? Physics, of Course!”一文中分享了一些关于无人机飞行的物理原理，从而使我们能够更好地理解无人机。

　　无人机的发展正处于风口，市场价格也不是很贵。我拥有一架，并用它来拍我的狗和其他一些东西。在下文，我要谈到的是带有四个旋翼的遥控型无人机，而不是科学家用来研究气候变化且价格昂贵的大型无人机。

　　相比大型无人机，小型无人机操作起来很是方便。熟练的操作者可以使其往任意方向飞行，从而更好地满足拍摄需要。那么，无人机的飞行原理是什么？

　　垂直运动

　　无人机利用旋翼实现前进和停止。力的相对性意味着旋翼推动空气时，空气也会反向推动旋翼。这是无人机能够上上下下的基本原理。进而，旋翼旋转地越快，升力就越大，反之亦然。

　　现在的无人机能够做三件事情：悬停、爬升和降低。当悬停时，无人机四个旋翼产生的推力等于向下的重力。这非常容易理解。那么如何实现爬升？增加四个旋翼的推力从而产生一个大于重力的向上的力。在该动作完成之后，无人机的推力可以相对减少，但为了使其继续向上飞行，那么仍必须保证向上的力要大于向下的力。使无人机降低的要求则相反：需要减少旋翼的推力速度，此时合力向下。

　　旋转

　　如何使一个正在朝北飞的无人机掉头向南飞？此时旋翼的运动原理又是什么？

　　如图所示，红色的旋翼呈逆时针旋转，绿色的旋翼呈顺时针旋转。当这两组旋翼向相反方向旋转时，无人机的总动力为零。角动力值与线性动力值很像，可以用角速度乘惯性矩计算得出。可以说，角动力取决于旋翼旋转的速度。

　　假设红色旋翼有一个值为正的角动量，而绿色旋翼有一个值为负的角动量，每个旋翼的值分为+2、+2、-2、-2，那么此时所有的力加起来为零。无人机即能实现悬停。

　　而要使无人机向右转，则需要降低旋翼1的角速度。但是，虽然来自旋翼1的推力缺失能使无人机改变运动方向，但与此同时向上的力不等于向下的重力，所以无人机会下降。那么，如何使无人机在改变方向时保持高度不变？

　　降低旋翼1和3旋转速度的同时，增加旋翼2和4的旋转速度。此时旋翼的角动力仍然不为零，所以无人机能够旋转。而总力仍然等于重力，则无人机能够保持在同一高度。由于向同一方向旋转的旋翼角为对角，所以无人机仍然可以保持平衡。

　　向前飞行和侧向飞行

　　无人机向前和向后的运动原理有什么区别？其实没有，因为无人机是对称的。这同样适用于侧向运动。一架四轮无人机就像一辆每一面都可作为正面的车，所以了如何向前也就解释了如何向后或向两侧移动的问题。

　　那么具体该如何操作？

　　增加旋翼3和4的旋转速率，降低旋翼1和2 的速率。此时，总推力与重量相等，因此无人机能够保持高度不变。此外，由于一个位于后方的旋翼是逆时针旋转，而另一个为顺时针旋转，所以增加的旋转力仍然会为零，前方的旋翼情况相同。所以整体上无人机的方向不会改变。然而，无人机后部旋翼所增加的力会使其向前倾斜，因此应该稍微增加所有旋翼的推力从而产生一个净推力，其中的一个分力可以用来平衡重量和向前运动的力。

　　学会使用计算机系统

　　操作无人机的每个动作都是通过改变一个或多个旋翼的转速完成，为了用一个控制器控制全部旋翼要善用某种计算机控制系统。此外，无人机的加速器和陀螺仪可以对每个旋翼进行微调，从而进一步提高飞行的简易性和稳定性。所以如果让计算机系统完成所有的工作，那么操纵无人机则相当容易。

　　理解无人机的飞行原理是不是很有趣？

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