圖：旋翼軸。

上文談到了三種飛行器外形和續(xù)航時(shí)間的不同點(diǎn)，這里要再說一些更理論的不同之處。

首先，固定翼是自穩(wěn)定系統(tǒng)，簡(jiǎn)單說就是固定翼飛上天、助推發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作之后，不需要怎么控制，固定翼就能自己抵抗氣流的干擾保持穩(wěn)定。此外對(duì)于飛 行器姿態(tài)控制來(lái)說，固定翼是完整驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，意思是它在任何姿態(tài)下可以調(diào)整到任何姿態(tài)，并且保持住這個(gè)姿態(tài)（當(dāng)然失速的時(shí)候不可以，但是失速是特殊情況，我 們也可以忽略……）。

其次，直升機(jī)是不穩(wěn)定系統(tǒng)，飛上天之后如果不施加控制，一陣風(fēng)吹來(lái)就翻了。不過還好的是，直升機(jī)也是完整驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以自由調(diào)整姿態(tài)。這是因?yàn)橹鄙?機(jī)的槳面不但可以產(chǎn)生相對(duì)機(jī)身向上的推力，也可以產(chǎn)生相對(duì)機(jī)身向下的推力。而且直升機(jī)沒有失速的問題，什么時(shí)候都能調(diào)整姿態(tài)，可以在天上如散步一般自由運(yùn) 動(dòng)。所以直升機(jī)雖然不穩(wěn)定、很難控制好，但是姿態(tài)翻了的時(shí)候完全可以控制回到正常的姿態(tài)。

最后，看官們可能猜到了，多旋翼是不穩(wěn)定系統(tǒng)，也不是完整驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（或者叫欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）。它的槳只能產(chǎn)生相對(duì)機(jī)身向上的升力。所以它不穩(wěn)定、很難控制好，飛行器翻過來(lái)之后基本沒辦法控制回來(lái)，就墜機(jī)了。

因?yàn)樯鲜鲲w行器作為系統(tǒng)有穩(wěn)定不穩(wěn)定、驅(qū)動(dòng)完整不完整的區(qū)別，所以固定翼和直升機(jī)讓人控制難度相對(duì)不高；多旋翼讓人來(lái)控制難度相對(duì)高，最好有自動(dòng)控 制器來(lái)控制飛行器的姿態(tài)。對(duì)于自動(dòng)控制器，固定翼的自動(dòng)控制器比較好做，直升機(jī)和多旋翼的自動(dòng)控制器比較難做。讓事情更加難辦的是，飛行器自動(dòng)控制器通常 需要慣性導(dǎo)航系統(tǒng)獲取自身的姿態(tài)，而在20世紀(jì)90年代之前，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)一般是十幾公斤的大鐵疙瘩。為了把這么重的東西放到一個(gè)多旋翼飛行器上，飛行器 的載荷必須很大，可是人們發(fā)現(xiàn)，不管是用油機(jī)還是電機(jī)做多旋翼飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)，都很難得到足夠的載荷。同時(shí)，因?yàn)楣潭ㄒ砗椭鄙龣C(jī)已經(jīng)很夠?qū)嶋H使用了，所 以沒有人愿意多花功夫去研究多旋翼飛行器這個(gè)棘手的問題。很長(zhǎng)一段時(shí)間里，只有美國(guó)一些研發(fā)性的項(xiàng)目做出了多旋翼飛行器的樣機(jī)。

20世紀(jì)90年代之后，隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）研究的成熟，幾克重的MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)被制作了出來(lái)，使得多旋翼飛行器的自動(dòng)控制器可以做 了。但是MEMS傳感器數(shù)據(jù)噪音很大，不能直接讀出來(lái)用，于是人們又花了一些年的時(shí)間研究MEMS去噪聲的各種數(shù)學(xué)算法。這些算法以及自動(dòng)控制器本身通常 需要速度比較快的單片機(jī)來(lái)運(yùn)行，于是人們又等了一些年時(shí)間，等速度比較快的單片機(jī)誕生。接著人們?cè)倩巳舾赡甑臅r(shí)間理解多旋翼飛行器的非線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給 它建模、設(shè)計(jì)控制算法、實(shí)現(xiàn)控制算法。

因此，直到2005年左右，真正穩(wěn)定的多旋翼無(wú)人機(jī)自動(dòng)控制器才被制作出來(lái)。之前一直被各種技術(shù)瓶頸限制住的多旋翼飛行器系統(tǒng)突然出現(xiàn)在人們視野 中，大家驚奇地發(fā)現(xiàn)居然有這樣一種小巧、穩(wěn)定、可垂直起降、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的飛行器存在。一時(shí)間研究者趨之若鶩，紛紛開始多旋翼飛行器的研發(fā)和使用。

四旋翼飛行器是多旋翼飛行器中最簡(jiǎn)單最流行的一種。如上所述，最初的一段時(shí)間主要是學(xué)術(shù)研究人員研究四旋翼。四旋翼飛行器最早出現(xiàn)在公眾視野可能要 追溯到2009年的著名印度電影《三傻》……2010年，法國(guó)Parrot公司發(fā)布了世界上首款流行的四旋翼飛行器AR.Drone。作為一個(gè)高科技玩 具，它的性能非常優(yōu)秀：輕便、靈活、安全、控制簡(jiǎn)單，還能通過傳感器懸停，用WIFI傳送相機(jī)圖像到手機(jī)上。

AR.Drone的流行讓四旋翼飛行器開始廣泛進(jìn)入人類社會(huì)。在玩具這個(gè)尺寸上，多旋翼飛行器的優(yōu)勢(shì)就顯示出來(lái)了，同尺寸的固定翼基本飛不起來(lái)，而同尺寸的直升機(jī)因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根本沒法低成本地制作出穩(wěn)定的產(chǎn)品。

2012年2月，賓夕法尼亞大學(xué)的VijayKumar教授在TED上做出了四旋翼飛行器發(fā)展歷史上里程碑式的演講。這一場(chǎng)充滿數(shù)學(xué)公式的演講居然大受歡迎，迄今已經(jīng)有三百多萬(wàn)次觀看，是TED成百上千個(gè)演講中瀏覽量最高的演講之一。