圖：旋翼軸。
上文談到了三種飛行器外形和續(xù)航時間的不同點，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)，簡單說就是固定翼飛上天、助推發(fā)動機穩(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。此外對于飛 行器姿態(tài)控制來說，固定翼是完整驅(qū)動系統(tǒng)，意思是它在任何姿態(tài)下可以調(diào)整到任何姿態(tài)，并且保持住這個姿態(tài)（當然失速的時候不可以，但是失速是特殊情況，我 們也可以忽略……）。
其次，直升機是不穩(wěn)定系統(tǒng)，飛上天之后如果不施加控制，一陣風吹來就翻了。不過還好的是，直升機也是完整驅(qū)動系統(tǒng)，可以自由調(diào)整姿態(tài)。這是因為直升 機的槳面不但可以產(chǎn)生相對機身向上的推力，也可以產(chǎn)生相對機身向下的推力。而且直升機沒有失速的問題，什么時候都能調(diào)整姿態(tài)，可以在天上如散步一般自由運 動。所以直升機雖然不穩(wěn)定、很難控制好，但是姿態(tài)翻了的時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)動系統(tǒng)（或者叫欠驅(qū)動系統(tǒng)）。它的槳只能產(chǎn)生相對機身向上的升力。所以它不穩(wěn)定、很難控制好，飛行器翻過來之后基本沒辦法控制回來，就墜機了。
因為上述飛行器作為系統(tǒng)有穩(wěn)定不穩(wěn)定、驅(qū)動完整不完整的區(qū)別，所以固定翼和直升機讓人控制難度相對不高；多旋翼讓人來控制難度相對高，最好有自動控 制器來控制飛行器的姿態(tài)。對于自動控制器，固定翼的自動控制器比較好做，直升機和多旋翼的自動控制器比較難做。讓事情更加難辦的是，飛行器自動控制器通常 需要慣性導航系統(tǒng)獲取自身的姿態(tài)，而在20世紀90年代之前，慣性導航系統(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)，不管是用油機還是電機做多旋翼飛行器的動力系統(tǒng)，都很難得到足夠的載荷。同時，因為固定翼和直升機已經(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棘手的問題。很長一段時間里，只有美國一些研發(fā)性的項目做出了多旋翼飛行器的樣機。
20世紀90年代之后，隨著微機電系統(tǒng)（MEMS）研究的成熟，幾克重的MEMS慣性導航系統(tǒng)被制作了出來，使得多旋翼飛行器的自動控制器可以做 了。但是MEMS傳感器數(shù)據(jù)噪音很大，不能直接讀出來用，于是人們又花了一些年的時間研究MEMS去噪聲的各種數(shù)學算法。這些算法以及自動控制器本身通常 需要速度比較快的單片機來運行，于是人們又等了一些年時間，等速度比較快的單片機誕生。接著人們再花了若干年的時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)計控制算法、實現(xiàn)控制算法。
因此，直到2005年左右，真正穩(wěn)定的多旋翼無人機自動控制器才被制作出來。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、機械結(jié)構(gòu)簡單的飛行器存在。一時間研究者趨之若鶩，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單最流行的一種。如上所述，最初的一段時間主要是學術(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。作為一個高科技玩 具，它的性能非常優(yōu)秀：輕便、靈活、安全、控制簡單，還能通過傳感器懸停，用WIFI傳送相機圖像到手機上。
AR.Drone的流行讓四旋翼飛行器開始廣泛進入人類社會。在玩具這個尺寸上，多旋翼飛行器的優(yōu)勢就顯示出來了，同尺寸的固定翼基本飛不起來，而同尺寸的直升機因為機械結(jié)構(gòu)復雜，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。這一場充滿數(shù)學公式的演講居然大受歡迎，迄今已經(jīng)有三百多萬次觀看，是TED成百上千個演講中瀏覽量最高的演講之一。
?