（一）四旋翼無人機是怎麼火起來的？
2010年，AR.Drone橫空出世；在AR.Drone的引領下，全球範圍內都有一股將四旋翼商業化的熱潮。2012年DJI相繼推出了風火輪系列四旋翼機架、悟空四旋翼飛控和S800六旋翼飛行器。其實，2012年的時候，研發四旋翼產品的人們在熱情之餘也存有一絲迷茫：四旋翼飛行器是很好玩，但是它除了作為玩具之外，還有什麼價值呢？就像AR.Drone被定義成玩具一樣，DJI最早的多旋翼產品也被人定義成玩具、航模。這個問題在2013年得到了解答。隨著DJI在2013年1月的推出Phantom，四旋翼飛行器市場的形勢發生了巨大的變化。Phantom與AR.Drone一樣控制簡便，新手學習多半個小時就可以自由飛行；Phantom尺寸比AR.Drone大的多，抗風性更好，還具有內置GPS導航功能，可以在戶外很大的範圍內飛行；更重要的是，當時利用GoPro運動相機拍攝極限運動已經成為歐美國家的時尚，而Phantom提供了掛載GoPro的連接架，讓用GoPro相機的人們有了從天空向下的拍攝視角。特別地，與傳統的飛機和直升機航拍不同，多旋翼系統小巧靈活，能讓拍攝者自由地控制角度和距離。就像iPhone重新定義了手機一樣，我們也可以毫不誇張地說：Phantom+GoPro重新定義了航拍，也重新定義了相機。必須承認：四旋翼無人機成為航拍嬌子要感謝大疆！
四旋翼採用了四個旋翼的機械結構，四個電機作為飛行的直接動力源，通過改變四個螺旋槳產生的升力來控制，結構和動力學特性得到了簡化。如圖(a)~圖(d)，四旋翼的前槳和後槳順時針旋轉，左右兩槳逆時針旋轉，這種反向對稱結構代替了傳統直升機尾旋翼。在飛行過程中，改變四個旋翼的轉速，四旋翼將產生各種飛行姿態，使四旋翼向預定方向運動，完成任務。
四旋翼的地面坐標系和機體坐標系：
(1)俯仰角θ，機體軸OX與地面間的夾角。
(2)滾轉角φ，機體軸OZ和包含機體軸OX間的夾角。
(3)偏航角ψ，機體軸OX在地面投影與地軸OgXg間的夾角。
（二）四旋翼無人機的運動原型
四旋翼飛行器結構模型如下：
推進器（1、3）、（2、4）為互相對稱的兩部分。通過改變推進器轉子的旋轉速度，會使飛行器產生升力，引起運動。因此，通過改變4個推進器的轉動速度，我們可以控制飛行器的垂直起降運動。如果相反地控制（2、4）推進器的旋轉速度，會引起滾轉運動；如果相反地控制（1、3）推進器的旋轉速度，會引起俯仰運動；要使飛行器產生偏航運動，則需要通過共同控制（1、2）和（3、4）推進器的旋轉速度。
（1）垂向飛行：垂向飛行相對來說比較容易控制，控制方式如圖(a)，圖中箭頭的粗細代表旋翼轉速大小。同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉速增加使得總的拉力增大，四旋翼無人機向上飛行；反之，同時減小四個電機的輸出功率，旋翼轉速下降，使得總的拉力減小，四旋翼無人機向下飛行。
（2）縱向飛行：縱向飛行控制方式如圖(b)。增加後邊電機的輸出功率，旋翼轉速增加使拉力增大，相應的減小前邊電機的輸出功率，使拉力減小。這樣由於存在拉力差，機身會俯仰傾斜，從而使旋翼拉力產生水平分量，因此可控制無人機向前飛行。向後飛行與向前飛行正好相反。
（3）橫向飛行：由於四旋翼無人機的結構對稱性，橫向飛行的控制方式和縱向飛行完全一樣，參見圖(c)。
（4）水平轉動：四旋翼無人機的水平轉動可以藉助旋翼產生的反扭矩來實現。旋翼轉動過程中由於空氣阻力作用會形成與轉動方向相反的反扭矩，常規的直升機為了平衡反扭矩的影響，需藉助尾槳的作用來實現。四旋翼無人機為了克服反扭矩的影響，使其四個旋翼中的兩個正轉，兩個反轉，且對角線上的兩個旋翼轉動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉速有關，當四個旋翼轉速相同時，反扭矩互相平衡，無人機不發生轉動；當四個旋翼轉速不同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼無人機的水平轉動。為了使四旋翼無人機按照期望方向作水平轉動，可以同時增加一對同方向旋轉的旋翼轉速並減小另一對旋翼轉速，且轉速增加的旋翼轉動方向與期望的水平轉動方向相同。水平轉動控制如圖(d)。
（三）四旋翼無人機的控制原理
根據四旋翼的運動調節方式將四旋翼無人機劃分為四種基本的飛行控制方式。
（1）垂直飛行控制；
（2）橫滾控制；
（3）俯仰控制；
（4）偏航控制。
垂直飛行控制
垂直飛行控制主要是控制飛機的爬升、下降和懸停（上圖）。四旋翼處於水平位置，在垂直方向慣性坐標系同機體坐標系重合。同時增加或減小四個旋翼的轉速，旋翼產生升力使得四旋翼上升某一飛行高度。懸停時，保持四個旋翼的轉速相等，產生的合推力與重力相平衡，從而四旋翼在某一高度處於相對靜止狀態，姿態角為零。垂直飛行控制的關鍵是要穩定四個旋翼的轉速，保持一致的變化量。
橫滾控制
橫滾控制通過增加左邊旋翼轉速，使拉力增大，相應減小右邊旋翼轉速，使拉力減小，同時保持其它兩個旋翼轉速不變。這樣由於存在拉力差，機身會俯仰傾斜，從而使旋翼拉力產生水平分量，向右運動。∆2=∆4時可控制四旋翼作側向平飛運動。
俯仰控制
俯仰控制在保持左右兩個旋翼速度不變的情況下，增加上面旋翼的轉速，並相應減小下面旋翼的轉速，使得上下兩面存在著拉力差，從而引起機身的傾斜，產生側向的旋翼拉力，因此四旋翼做側向飛行。
偏航控制
偏航控制四旋翼為了克服反扭矩影響，四個旋翼中的兩個順時針轉，兩個逆時針轉，且對角線上的兩個旋翼轉動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉速有關，當四個旋翼轉速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼轉動。同時增加一對同方向旋轉的旋翼轉速並減小另一對按相反方向旋轉的電機轉速，且轉速增加的旋翼轉動方向與四旋翼機身轉動方向相反。中心控制模塊即飛行控制系統的核心處理器，作為整個系統的核心控制部分，主要負責採集傳感器檢測的姿態角速率（俯仰角速率、橫滾角速率和偏航角速率）、三軸的線加速度和航向信息並實時計算；根據檢測的飛行信息，結合既定的控制命令改變飛行狀態和下傳飛行狀態數據。
以四軸，X形狀為例。為方便說明，把電機進行編號， 右下為9號，右上為10號，左下為11，左上為3號電機。
1、飛行器保持懸停，4個電機的轉速保持一致，來使飛行器保持水平。
四個電機的轉速=懸停油門。
2、當我們希望飛行器向右飛的時候，我們設定在第一種情況的基礎上，增加左邊兩個電機（3,11）的轉速，減小右邊兩個電機（9,10）的轉速。
9號電機=懸停油門 - 右傾的量；
10號電機= 懸停油門 - 右傾的量；
11號電機 = 懸停油門 + 右傾的量；
3號電機= 懸停油門 + 右傾的量；
3、當我們希望飛行器向左飛的時候，上面公式依然成立，只不過右傾的量是負數了。
4、當我們希望飛行器向前飛的時候，我們要增加後面一組電機（11,9）的轉速，減小前面一組電機（3,10）的轉速。
9號電機=懸停油門 + 前飛的量；
10號電機= 懸停油門 - 前飛的量；
11號電機 = 懸停油門 + 前飛的量；
3號電機= 懸停油門 - 前飛的量；
5、飛行器向後飛的情況，上面公式依然成立，前飛的量為負數。
6、當我們希望飛行器順時針旋轉， 我們增加10號，11號 對角線兩個電機的轉速，減小3號，9號這條對角線電機的轉速。
9號電機=懸停油門 - 旋轉的量；
10號電機= 懸停油門 + 旋轉的量；
11號電機 = 懸停油門 + 旋轉的量；
3號電機= 懸停油門 - 旋轉的量；
7、當我們希望飛行器逆時針旋轉， 我們減小10號，11號對角線兩個電機的轉速，增加3號，9號這條對角線電機的轉速。繼續使用上面的公式。
8、最後，針對一個電機，它同時要負責前後左右和旋轉的情況， 那它就疊加了4種情況下的值：
9號電機 = 懸停油門 - 右傾的量 + 前飛的量 - 旋轉的量；
10號電機 = 懸停油門 - 右傾的量 - 前飛的量 + 旋轉的量；
11號電機 = 懸停油門 + 右傾的量 + 前飛的量 + 旋轉的量；
3號電機 = 懸停油門 + 右傾的量 - 前飛的量 - 旋轉的量。
所以實現代碼如下：
#define PIDMIX(X,Y,Z) rcCommand[THROTTLE] + axisPID[ROLL]*X + axisPID[PITCH]*Y + YAW_DIRECTION * axisPID[YAW]*Z
#ifdef QUADX
motor[0] = PIDMIX(-1,+1,-1); //REAR_R
motor[1] = PIDMIX(-1,-1,+1); //FRONT_R
motor[2] = PIDMIX(+1,+1,+1); //REAR_L
motor[3] = PIDMIX(+1,-1,-1); //FRONT_L
#endif
一切對稱、不對稱的多旋翼布局都基於此理論，可以參考上述說明推導出來。
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