关于无人机的飞行控制原理分析

与无人驾驶技术所关注的车辆定位不同，无人机的位置必须用 x，y 和 z 三个坐标才能确定，而且还需要关注飞行姿态的问题。钟德夫在之前的文章《入门大疆 SDK 开发前，你需要了解这些…》提及到：

无人机 app 的开发是面向三维的开发，了解空间坐标系系统（负责定位），及 Roll、Pitch 和 Yaw 的原理（负责移动）将会对开发很有帮助。

所以今天就为大家整理一下涉及到飞行控制的一些概念：

飞行器朝向和运动方向

对于高度对称的多轴无人机来说，搞清楚飞行器的机头方向是控制其运动向量的重要概念。以大疆的飞行器为例，飞行器启动后，我们可以根据 LED 指示来判断机头方向（红灯常亮代表机头方向），另外也可以根据 DJI Go （4） 界面里的姿态球功能来判断机头方向和运动状态。

姿态球显示飞机的姿态变化、相对位置和机头转向：

1、飞机向前飞行时，蓝色水平面相应上升。

2、飞机向后飞行时，蓝色水平面相应下降。

3、飞机向右飞行时，蓝色水平面朝右侧倾斜。

4、飞机向左飞行时，蓝色水平面朝左侧倾斜。

5、飞机旋转机头时，红色飞机相应旋转，尖角方向为机头方向

6、姿态球中红色飞机机头方向有一束绿光，表示相机镜头朝向

7、姿态球中心表示遥控器所在位置，一束白光为遥控器朝向

三维坐标系统

在我们地球的三维空间，我们通常用 3 个轴的矢量位移来描述一个物体在三维空间的运动和位置，这三个轴通常表示为 x（经度），y（纬度）和 z（高度）。而围绕这 3 个轴的转动所引起三种不同的运动被称为Roll， Pitch 和 Yaw。

飞行器的移动指令

Roll – 以 x 轴为轴心进行旋转，形成左右「失衡」的倾角

Pitch – 以 y 轴为轴心进行旋转，形成前后「翘动」的倾角

Yaw – 以 z 轴为轴心进行旋转，产生机头朝向变化的倾角

Roll，Pitch 和 Yaw 的移动都由飞手通过对控制器上的 4 个油门进行操作而完成。每种移动的快慢都可以通过改变对相应的油门大小来完成。图例如下，红色代表机头方向：

飞行器的飞行原理

多旋轴飞行器的各种运动都是通过改变电机转速（增减油门）来实现的，电机会带动各轴上的螺旋桨旋转从而产生升力，在同一个轴坐标中（如 x 轴），当其中一侧的螺旋桨升力大于另外一侧，飞行器就会朝升力较大的一侧飞行。

上面所介绍的 3 个移动指令形成的倾角，其实就代表着原本悬停在半空中的飞行器上各螺旋桨升力的变化，因此：

Roll 指令形成的倾角会产生左/右飞行的效果

Pitch 指令形成的倾角会产生前进/后退飞行的效果

Yaw 指令则基于飞行器中心点改变旋转机头的朝向

小结

要真正理解底层的飞行原理，那是一门机械控制和空气动力学混合的学科，这里就不加赘述了。但无论是普通飞行还是基于飞行器做开发，掌握一定的基础知识还是有助于理解和掌握飞行器的飞行状态，能在一定程度上降低「提控回家」的概率。