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上一集我們學習了多旋翼無人機的構造與常見傳感器，通過處理來自傳感器和遙控器的信息，無人機實現了動作和姿態(tài)調整。那么它背后的原理到底是什么呢？為什么多旋翼無人機能夠在空中懸停，而固定翼無人機就不行呢？無人機飛行時受到四個主要的作用力：推力、阻力、升力和重力。固定翼無人機的飛行依靠機翼與空氣的相對運動來產生升力，它的動力布局決定了它只能在飛行中獲得升力，不能在空中保持懸停狀態(tài)，靈活性較差。但由于固定翼無人機具有續(xù)航時間長、飛行效率高、載荷量大等優(yōu)點，目前很多軍用無人機都是固定翼的。而多旋翼無人機的動力布局使其能夠獲得充沛的升力，實現更穩(wěn)定的懸停飛行。我們以四旋翼無人機為例（下圖），它有兩個正槳（M1、M3）和兩個反槳（M2、M4），正槳順時針旋轉，反槳逆時針旋轉，扭矩相互抵消，也就是反作用力之和為零。 
正槳順時針旋轉，反槳逆時針旋轉 四個電機驅動槳葉的旋轉為無人機提供升力，當升力之和大于或等于機身總重量時，無人機就可以起飛了。首先，我們來看升力是如何產生的？多旋翼無人機的槳葉為特殊結構，上表面凸起呈弧形，下表面呈水平或凹狀，前緣（迎向空氣流的一側）為圓頭，后緣為尖尾。當空氣從前緣流向后緣時，流經槳葉上表面的距離長于下表面，空氣沿槳葉上表面的流速比下表面快。根據伯努利原理，較高的流速產生較低的壓力，因此槳葉下表面的總壓力要大于上表面壓力，于是產生了凈升力。電機的轉速可以控制升力的大小。如果同時增加或減小四個旋翼的轉速，無人機就會垂直上升或下降，實現垂直運動。當升力大小等于機身總重量時，無人機就能夠在空中保持懸停狀態(tài)。如果同時增加M1、M3轉速，降低M2、M4轉速，由于M1、M3產生的反扭矩較大，無人機就會原地逆時針旋轉。當四個旋翼產升的升力等于機身總重量時，可以保持懸停狀態(tài)如果同時增加M3、M4轉速，降低M1、M2轉速，由于M3、M4產生的升力較大，無人機會向前傾斜，實現向前飛行。同理，同時增加M1、M2轉速，降低M3、M4轉速，無人機就向后飛行。左飛和右飛也是通過控制左右兩側的電機轉速來實現的。當四個電機的轉速相同，提供的升力等于機身重量時，無人機就能在空中懸停。無人機的懸停位置一般由GPS、超聲波和氣壓計等定位技術進行定位。目前消費級多旋翼無人機的水平定位精度可達到1.5米，垂直定位精度0.5米。而且無人機能通過調節(jié)電機功率來應對上升、下降或橫風的影響。固定翼和多旋翼無人機都有各自的優(yōu)勢，那么能不能開發(fā)一種既能高速巡航又能垂直起降的無人機呢？答案是肯定的。傾轉旋翼機這種特殊的無人機，結合了兩者的優(yōu)點，發(fā)揮了一加一大于二的作用。傾轉旋翼機一般是在固定機翼的兩端安裝旋翼系統(tǒng)，內部通過渦輪發(fā)動機來驅動旋翼系統(tǒng)，發(fā)動機可以繞機翼軸轉動，垂直起降時，發(fā)動機向上，固定翼模式飛行時，發(fā)動機向前傾轉，提供固定翼水平向前的動力。傾轉旋翼機起降靈活、不受場地限制、航程遠、速度快，是極具潛力的無人飛行器。無人機的發(fā)展日新月異，了解了它的飛行原理，想真正操控一架多旋翼無人機還需要時間去練習。除了在消費領域很受歡迎的航拍無人機外，無人機的應用已經深入到各行各業(yè)，提高了人們的工作效率。下一集，就讓我們一起走進無人機應用的廣闊領域，一覽無人機如何在農業(yè)植保、消防救援、航拍攝影、物資輸送、勘探測繪、治安巡邏及工業(yè)巡檢等領域大顯身手。上海市科委科普項目支持 項目編號：21DZ2307600 1.周競賽, 馮宇主編. 無人機概論[M]. 北京：清華大學出版社, 2021.2.符長青, 曹兵編著. 多旋翼無人機技術基礎[M]. 北京：清華大學出版社, 2017.
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