竹蜻蜓和四轴机探讨飞行

四轴穿越机和四轴航拍机能代替人类的视角在空中遨游，两者的外形十分相似，都是由遥控器进行操控的“无人机”，大多人统称他们为“四轴机”，主要分别是应用上不一样。

竹蜻蜓的飞行原理和四轴机很相似，但竹蜻蜓只单靠一只螺旋翼来令竹蜻蜓上升或下降。竹蜻蜓的螺旋翼有倾斜角度，当竹蜻蜓的螺旋翼向逆时针方向转动时，旋转的螺旋翼把空气向下推，引致空气向下流动，同时空气会产生一股向上的反作用力给予竹蜻蜓，令它向上升起。

竹蜻蜓看飞行原理

根据牛顿第三定律：作用力同反作用力成正比，但方向相反。竹蜻蜓向下的作用力愈大，产生向上的反作用力就会愈强。随着螺旋翼斜度的改变及转动速度的增加，使向上升起的力大于竹蜻蜓的重量时，就能驱使竹蜻蜓向上飞。

不过，竹蜻蜓的螺旋翼向顺时针方向转动时，旋转的螺旋翼把空气向上推，引致空气向上流动，同时空气会产生一股向下的反作用力给予竹蜻蜓，令竹蜻蜓下降。在日常生活中的大型直升机就应用了以上原理，而直升机的螺旋翼就可以改变角度来控制升降。

四轴机怎样飞行呢？

四轴机上分别装有四只螺旋翼，它的螺旋翼是固定的，不能像直升机的可以调节螺旋翼倾斜度。四轴机的每只螺旋翼均接驳摩打，当摩打转动时就能带动螺旋翼向顺时针方向或逆时针方向旋转，四轴机就需要依靠改变摩打转动的速度来控制它的飞行方向及升降。

四轴机的数学

四轴机的螺旋翼设计有数学中所学的旋转对称图形，若果不是旋转对称的设计，就不能产生稳定的推动力。从俯视的角度去观察四轴机，大部分的四轴机的外形都是轴对称，轴对称的设计有助于飞行时容易取得平衡。

飞行模式

四轴穿越机飞行工程

四轴穿越机的 4 个螺旋翼以对角方式编成两组，两组螺旋翼的倾斜角度是相反，同一组内的相同。四个螺旋翼可以利用不同号码表示，1号螺旋翼和 3 号螺旋翼属于同一组，并以顺时针方向旋转，而 2 号螺旋翼和 4 号螺旋翼则以逆时针方向旋转，两组螺旋翼所产生的反扭矩互相作用平衡机身，透过调节四个螺旋翼的转速以达到控制升降及移动效果。

垂直升降

当增加四个螺旋翼的输出功率，让反扭矩保持平衡，令产生的总拉力克服体重量时就会垂直上升。下降则需降低四个螺旋翼的功率，反扭矩保持平衡，当产生的总拉力小于体重量时就会垂直下降。

水平移动

四轴穿越机要水平向前飞行，就要增加 1 号和 3 号螺旋翼的功率，其他两个功率不变。如要水平向后飞行，就要增加 2 号和 4 号螺旋翼的功率，而1号和3号螺旋翼的功率不变。

如要转向 3 号螺旋翼方向移动，就要降低 3 号螺旋翼的功率，提升 1 号螺旋翼的功率，其他两个功率不变。反之，要转向 1 号螺旋翼方向移动，就要增加 3 号螺旋翼的功率，减少 1 号螺旋翼的功率，其他两个功率不变。

运用数据及科技保持平衡

四轴机在飞行时，会因周边的气流改变而影响到飞行稳定性，那么如何可以保持平衡？在四轴机上还有不同的电子零件，分别是飞行控制器、陀螺仪、电子罗盘、气压计和 PID 控制等，他们互相配合以协调保持四轴机飞行时的平衡。

飞行控制器

飞行控制器负责控制四轴机平衡和运动的装置，它是一个集成微控制器、电子调速器、连接不同的感测器（陀螺仪、电子罗盘和气压计）等装置，负责处理从感测器接收得来的讯息，是四轴机的核心控制部分。

PID 控制器

PID 控制器是控制四轴机的飞行稳定的，通过飞行参数来进行调整，让四轴机可以在空中保持平衡，不会出现任意的方向倾倒。在四轴机身上还有很多不同的 STEM 元素，只要你在制作四轴机或操控四轴机时，多阅读有关资料、多与四轴机的 KOL 交流，自然可以体会更多有趣的 STEM。