對(duì)于一項(xiàng)新科技，圍觀總是多于實(shí)干，無(wú)人機(jī)也不例外。但隨著無(wú)人機(jī)成本的降低，相當(dāng)一批人開(kāi)始入手，并應(yīng)用到旅游、直播、救災(zāi)等場(chǎng)景中。無(wú)人機(jī)進(jìn)入消費(fèi)領(lǐng)域。本文作者Rhett Allain是路易斯安納大學(xué)的物理學(xué)教授，他在“How Do Drones Fly? Physics, of Course!”一文中分享了一些關(guān)于無(wú)人機(jī)飛行的物理原理，從而使我們能夠更好地理解無(wú)人機(jī)。
無(wú)人機(jī)的發(fā)展正處于風(fēng)口，市場(chǎng)價(jià)格也不是很貴。我擁有一架，并用它來(lái)拍我的狗和其他一些東西。在下文，我要談到的是帶有四個(gè)旋翼的遙控型無(wú)人機(jī)，而不是科學(xué)家用來(lái)研究氣候變化且價(jià)格昂貴的大型無(wú)人機(jī)。
相比大型無(wú)人機(jī)，小型無(wú)人機(jī)操作起來(lái)很是方便。熟練的操作者可以使其往任意方向飛行，從而更好地滿足拍攝需要。那么，無(wú)人機(jī)的飛行原理是什么？
垂直運(yùn)動(dòng)
無(wú)人機(jī)利用旋翼實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和停止。力的相對(duì)性意味著旋翼推動(dòng)空氣時(shí)，空氣也會(huì)反向推動(dòng)旋翼。這是無(wú)人機(jī)能夠上上下下的基本原理。進(jìn)而，旋翼旋轉(zhuǎn)地越快，升力就越大，反之亦然。
現(xiàn)在的無(wú)人機(jī)能夠做三件事情：懸停、爬升和降低。當(dāng)懸停時(shí)，無(wú)人機(jī)四個(gè)旋翼產(chǎn)生的推力等于向下的重力。這非常容易理解。那么如何實(shí)現(xiàn)爬升？增加四個(gè)旋翼的推力從而產(chǎn)生一個(gè)大于重力的向上的力。在該動(dòng)作完成之后，無(wú)人機(jī)的推力可以相對(duì)減少，但為了使其繼續(xù)向上飛行，那么仍必須保證向上的力要大于向下的力。使無(wú)人機(jī)降低的要求則相反：需要減少旋翼的推力速度，此時(shí)合力向下。
旋轉(zhuǎn)
如何使一個(gè)正在朝北飛的無(wú)人機(jī)掉頭向南飛？此時(shí)旋翼的運(yùn)動(dòng)原理又是什么？
色的旋翼呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，綠色的旋翼呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)這兩組旋翼向相反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，無(wú)人機(jī)的總動(dòng)力為零。角動(dòng)力值與線性動(dòng)力值很像，可以用角速度乘慣性矩計(jì)算得出?？梢哉f(shuō)，角動(dòng)力取決于旋翼旋轉(zhuǎn)的速度。
假設(shè)紅色旋翼有一個(gè)值為正的角動(dòng)量，而綠色旋翼有一個(gè)值為負(fù)的角動(dòng)量，每個(gè)旋翼的值分為+2、+2、-2、-2，那么此時(shí)所有的力加起來(lái)為零。無(wú)人機(jī)即能實(shí)現(xiàn)懸停。
而要使無(wú)人機(jī)向右轉(zhuǎn)，則需要降低旋翼1的角速度。但是，雖然來(lái)自旋翼1的推力缺失能使無(wú)人機(jī)改變運(yùn)動(dòng)方向，但與此同時(shí)向上的力不等于向下的重力，所以無(wú)人機(jī)會(huì)下降。那么，如何使無(wú)人機(jī)在改變方向時(shí)保持高度不變？
降低旋翼1和3旋轉(zhuǎn)速度的同時(shí)，增加旋翼2和4的旋轉(zhuǎn)速度。此時(shí)旋翼的角動(dòng)力仍然不為零，所以無(wú)人機(jī)能夠旋轉(zhuǎn)。而總力仍然等于重力，則無(wú)人機(jī)能夠保持在同一高度。由于向同一方向旋轉(zhuǎn)的旋翼角為對(duì)角，所以無(wú)人機(jī)仍然可以保持平衡。
向前飛行和側(cè)向飛行
無(wú)人機(jī)向前和向后的運(yùn)動(dòng)原理有什么區(qū)別？其實(shí)沒(méi)有，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)是對(duì)稱的。這同樣適用于側(cè)向運(yùn)動(dòng)。一架四輪無(wú)人機(jī)就像一輛每一面都可作為正面的車，所以了如何向前也就解釋了如何向后或向兩側(cè)移動(dòng)的問(wèn)題。
那么具體該如何操作？
增加旋翼3和4的旋轉(zhuǎn)速率，降低旋翼1和2 的速率。此時(shí)，總推力與重量相等，因此無(wú)人機(jī)能夠保持高度不變。此外，由于一個(gè)位于后方的旋翼是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而另一個(gè)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，所以增加的旋轉(zhuǎn)力仍然會(huì)為零，前方的旋翼情況相同。所以整體上無(wú)人機(jī)的方向不會(huì)改變。然而，無(wú)人機(jī)后部旋翼所增加的力會(huì)使其向前傾斜，因此應(yīng)該稍微增加所有旋翼的推力從而產(chǎn)生一個(gè)凈推力，其中的一個(gè)分力可以用來(lái)平衡重量和向前運(yùn)動(dòng)的力。
學(xué)會(huì)使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
操作無(wú)人機(jī)的每個(gè)動(dòng)作都是通過(guò)改變一個(gè)或多個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速完成，為了用一個(gè)控制器控制全部旋翼要善用某種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。此外，無(wú)人機(jī)的加速器和陀螺儀可以對(duì)每個(gè)旋翼進(jìn)行微調(diào)，從而進(jìn)一步提高飛行的簡(jiǎn)易性和穩(wěn)定性。所以如果讓計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成所有的工作，那么操縱無(wú)人機(jī)則相當(dāng)容易。
理解無(wú)人機(jī)的飛行原理是不是很有趣？
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