为什么四轴飞行器火了，而直升机没有？

现在市面上的无人机几乎都是四轴飞行器（消费类），但直升机貌似出现的更早，那么是什么导致直升机没有发展起来，相比四轴飞行器有哪些弱势？

直升机的控制，主要是桨叶姿态调节，要求很复杂的机构，导致其在小型消费品市场降低成本的空间较小。四旋翼把单组桨叶上多自由度控制拆分成了多组桨叶的单自由度控制。再借着永磁无刷电机驱控技术在小功率段的简洁低成本解决方案，成功得把无人机性价比拉到了常规消费电子的范围。
但反过来，在交通工具这种级别的大型设备上，直升机的技术架构却优于四旋翼：首先是电驱动方案变得不再有优势。随着电机和驱动器功率的上升，电动机的功率密度相较内燃机会出现明显的不足，电池功率密度这一致命短板更是雪上加霜，导致必须选择内燃机作为驱动方式。内燃机驱动系统的复杂性远高于永磁电机驱动系统，可靠性也相应的更低。直升机和四旋翼驱动架构都是单点失效直接导致系统失效，如果内燃机故障概率是p，那么四旋翼相当于四个故障点的串联，整个系统正常工作的概率是(1-p)^4，而直升机系统的正常工作概率是1-p，桨叶姿态控制，和尾桨的存在会拉低这个概率，但在目前的技术背景下后者的可靠性仍然高于前者。再加上四套机组相比一套机组明显增加的维护工作量。对交通工具来说直升机的架构的优势也就实现了反超。

更新一下之前回复，放一个Alan的直机表演边看视频边回答


https://www.zhihu.com/video/1042921118792978432
关于操控性，早先有现成的直升机电控，据说悬停和航线可以解决，但多数因为玩这类直机的多以运动为目的，因此，至少在我们模友间没人使用，当然在多旋翼出来之前有些载有GPS的航拍直升机，但为什么会被多旋翼取代，我想几个因素：
1）维修成本。单旋翼的直机大桨的结构相对复杂：主桨一个十字盘要至少三个舵机，尾桨一个大力矩尾舵机控制桨距。如果油动还有更多舵机，调试比较麻烦，成本也会高不少。一旦有一个没调试好都有炸机可能；（即使对于最为简单玩具4通电直，如果可以完美悬停，则至少需要两个舵机控制主桨螺距 ----- 骗小孩无法准确悬停的玩具直机不在此列；这是单旋翼直机工作原理所决定）；而多旋翼因为各个电机（4个、6个或8个）完全通过转速控制可以产生不同力矩，因此，根本不需要舵机和复杂的十字盘结构。
2）安全性。单旋翼的大桨通常转速很高、单一电机功率很大（多旋翼多为较小功率电机和小尺寸旋翼），因飞直机出人命不少，即使老飞手；
但单旋翼有个多旋翼没有的优点：通常单旋翼直机一套动力系统即可，主旋翼和尾旋翼是依赖桨叶角度即螺距控制力矩。因此，很容易使用油动：这样很容易实现长续航和大载荷（未来大功率电机和电池解决相信会有大载荷多旋翼）
<hr/>我是大约十几年前开始飞航模的，直机F3D级别：即通俗的说就是用于特技飞行的直升机。我飞电直的，早先成都电子科大的模友建议我飞油动，去他那看了看，除了飞机个头大外，维护太费事，还脏，本着省心飞电动；目前还有两架F3D的直升机（那种小型4通的玩具不算，那个也有几个）。相对油动，电动直机已经很省心省钱，说说为什么没火起来：
1）操作困难。第一次飞练习悬停就用了大半年时间。然后大半年练习正飞航线，8字航线； ---- 基本正常飞行刚过关；因为单旋翼特点，再加上地效影响，并非推油门就可以正常起来，所以新手多数会练悬停，飞机拉起一米高度左右（主要为了摆脱地面扰流），大致控制悬停不能超过1.2（大约一块地砖）的样子。能正常飞漂亮航线差不多两年过去了，兴趣早没那么热了，然后是倒飞悬停，3D练习。
2）成本太高。因为新手悬停都比较困难，很容易炸机，训练普通木浆便宜一些大约几十一副，每次买一包十几几十根的样子；正常飞行碳纤维大桨基本百元以上，也是几幅备用，而且很多时候炸机，伤的不止大奖，尾管、主轴基本都要换，运气不好扫舵机扫了齿都要换；有次居然扫了陀螺仪（早先没经验，陀螺仪装在尾管上，见图）
3）调试费事。单旋翼飞机是依靠十字盘控制大桨桨叶角度即螺距来控制飞机姿态，如果螺距不对或大桨装配不合适甚至因为各个球头松紧不一致飞起来肯定炸。所以，调试大桨即飞机是耐心活。
4）危险。单旋翼的飞机一个主桨近直径甚至超过一米，每次拉起来练悬停时总有种没罩子的风扇在那不受控的飘来飘去（记得是不受控）。记得第一年冬天，练悬停，降落时没控制好，不小心飘腿上了。裤子两道印，没破，但腿当时就木了。回去发现居然肉上有两道血槽子 ----- 隔着棉裤，内伤呀。算是比较幸运的，圈里被切断手指的，甚至消掉天灵盖的都有（是绝对真事，香港一个资深老飞友）；
5）装x：飞直机最怕别人看，一个是太危险，难操作，不敢分心。最怕问能飞多高：通常练F3D都是练动作，远了看不见状态，反正我没超过100米，50米周围像大蚊子似的；通常模友聚会，飞直机前会对频率，清场 ----- 有围观群众。
这是传统单桨直机，讲一下四轴：
1）操作简单。因为现在四轴多数都有完备的飞控，多数玩四轴只要把飞机拉起来，基本可以不用管他，此时您可以装x或和女朋友打情骂俏。因此，非常容易入门，估计现在应该不会有人飞大疆练习一年的悬停吧
2）成本：单机成本可能不比普通直机贵（我第一架自己装的，大约花了一万，十几年前，现在基本应该6000），但因为炸机少了，维修成本会降低很多
3）结构简单。因为原理不同，四轴飞行器没有十字盘一说。更不会有舵机什么的。这样调试维护简单很多；
4）危险性。当然四轴也有危险性，但因为易操作性。还有塑料大桨比起单旋翼强多了 ------ 应该没听说过大疆把人的天灵盖削飞的吧，但直机真的有。
5）装x：飞大疆的绝对会招惹一大堆女孩子围观，当然您也一定愿意显露一下自己的水平：一会拉到楼顶，一会悬停来个自拍。


大约几年前照的照片。蓝色是老款，西拉贝尔结构主旋翼，极其复杂。是我第一架：当然早都换光了，连主机架都不知道是第几个了，早期悬停航线都是用这架练得，很稳。黄色的较新型，价格也便宜不少，大约6000，主要是练3D特技，飞机比较灵活，大桨机械结构少了不少。




这是新结构，已经比起早先西拉贝尔结构简单了很多，注意大桨的十字盘，因为螺距原因，这种飞机可以做出很复杂的动作，如倒飞 ----- 即螺旋桨向下，肚皮向上悬停 ----- 这是技术活。找不到自己倒飞悬停的照片了（倒飞时哪有时间拍照片），想象一下就好；注意，那副主桨，就是碳桨，很薄，强度很高 ----- 高速转起来砍到人....。
现在这两架已经基本不飞了：摔不起，而且城里人太多，找个可以飞的地方真的很难。这两架目前作为摆设放在书架里：


现在个人爱好是摄影和写代码：安静和安全很多；至于为什么没有飞四轴，原因很简单，那么复杂难飞的单旋翼都飞了，实在没兴趣飞四轴；另外，单旋翼直机大桨在风中切风的声音真的很好听，想想美国大片直机的感觉：塔塔的，很动听。而四轴的声音呢。。。
<hr/>再更一下，简单介绍旋翼头，顺便解释一下倒飞悬停：
1）共轴双桨（严格说不算单旋翼，但原理和常规单旋翼一致，暂时算做单旋翼），真实飞机代表就是俄罗斯卡50：这是给我们家女儿玩的，很稳，非常好飞 ---- 女儿没几个下午就可以飞了




注意十字盘，有两个舵机控制十字盘。因为只有两个舵机，这架飞机无法实现大的螺距调整，因此，无法完成复杂3D飞行。这个飞机区别于当前市场上那种靠尾部小马达控制方向的玩具飞机 ----- 那类飞机无法完成户外精准的悬停
2）西拉贝尔结构


结构复杂，多出一个副翼，副翼配平衡锤后飞行稳定性大增，适合新手练习（就这完美各向悬停也练了大半年，哭）。但结构很复杂，维护成本高，新旋翼已经不再使用。注意十字盘3个舵机，因此，可以产生较大的螺距变化
3）新直机旋翼头之前已经放过，不再放。通常也是至少三个舵机
关于倒飞：注意主旋翼，这些直机主旋翼都可以绕垂直于主轴的轴旋转，因此，倒飞时，实际旋翼旋转角度不变，只是修改了主旋翼桨面的角度为负，此时产生的升力相反 ----- 这些操作是由十字盘完成的。即使不进行3D飞行，依照中学物理的知识，飞机向各个方向运动，如悬停侧飞，也是由十字盘改变主旋翼桨平面完成的；真实单旋翼直机也是如此，因此单旋翼飞机都会有类似的变矩结构 ---- 这注定大桨结构不会简单
放一张网上找来的卡50，注意，大桨结构，也有类似的架构


因此，单旋翼不能普及不在于飞控：在多旋翼前已经就有单旋翼航拍。而是因为相对多旋翼的维护成本 ------ 看一下那个旋翼头结构，即使一个球头调整不到位都可能会炸机（曾经因为更换不同的两个球头，一个进口，一个国产炸机）。在这里，我刻意将当前市场比较常见的1~2百给小孩玩的那类玩具单旋翼排除在外，原因很简单，这类飞机在通常情况下连精确悬停与侧飞都无法做到，在户外更是会被一阵小侧风吹的无影无踪 ----- 而这些都是多旋翼正常可以完成的。

其实题目的具体说明里已经给出了比较好的解释---所说直升机不火，主要还是面向消费级产品，究其根本，最主要的还是结构的简繁和操纵的难易。

从结构上来说，四旋翼简单明了，不看说明书也一目了然，直升机旋翼的话，没有基础知识的人或者完全不知道变距杆是什么。

从操纵上来说也同样如此，四旋翼改变转速调整拉力大小，符合日常认知，对新手也比较友好，相信不少四轴老司机也未必知周期变距和总距到底如何影响直升机旋翼拉力吧。

总结就是面向消费级市场的产品，可以续航没那么强，可以效率没那么高，简单方便，新手友好才是最重要的。手机码字，说得有些简单，后续有时间修正错误和补充内容。

同是航模爱好者飘过。
不仅直升机不会火，固定翼也不可能火。原因比较简单：

• 直升机在RC界中应该算是最难控制的存在。相对难的固定翼航模，一周差不多能上手，直升机一周都学不会悬停。
  
• 而且就算你会操作了，还是不适合拿来稳定录像。只能傻玩傻飞（航线和3D花式，对看不懂的人来说就是傻飞）。
  
• 飞控开发难度很大，效果也不好。大疆曾经也出过直升机飞控，后来基本就见不到了。
  
• 危险程度极大，那大桨叶，古代要有遥控直升机，就不需要血滴子了。
  
• 修理成本极高，多轴基本能做到不坏就不修，而直升机基本是玩一天修一天，保养时间基本等于使用时间，对新手甚至是玩一次，修三天。
  

绝大多数人买东西是为了使用的，而不是为了“学习”。所以功能强大、外形美观、功能强大的东西才有可能成为大众消费品。
而且要有装13的作用才能流行起来。
所以大疆的无人机从来不说自己是“航模”，而是
——会飞的照相机

首先开宗明义，直升机无人机在小型（100kg更大）无人机上远比多旋翼常见的多。但在微小型无人机，也就是几千克十几千克以及更小的尺度上却很罕见。
其实之前我也很困惑这个事情，比如确确实实的直升机在续航效率上有优势，老生常谈的安全性也主要是桨的大小，在非日常场景下，这可能也不是问题的关键。至于控制--据说很难？
上周刚刚给px4折腾了个直升机模式。现在可以自豪的宣称，天上飞的固定翼，多旋翼，直升机的控制我都写过了。倒是大约是稍稍有点资格回答一下这个问题了。（先挖坑）
是实验室一台落灰许久的泰世 X3电直被我折腾了起来，装了个飞控，也算是自己找找答案。


娱乐时间拿来折腾下，现在倒是可以实现手动姿态-高度控制和GPS悬停了。对于这个问题，也有了一番体会。

这篇文章写完是个大工程，我以后抽空更新吧。

首先声明，此回答只能代表我最近大半个月忙里偷闲对直升机的经验，也算是自己小小的一个总结，我对小型电动直升机也是十足的新手。此回答仅仅描述的是和常见的小型多旋翼飞行器（phantom比如）相近的一千克左右量级的小型电子直升机。而答主浅薄的经验也只是片面之词，诸位仅供参考。欢迎有经验人士查漏补缺
尺寸参数如下


零，电直简介

电动直升机，顾名思义使用电机驱动。
（以后填坑）
一，控制与导航

（以下段落适合对电直有基本了解的人阅读，没有的话请参考段落零，自行脑补或者等更新）
首先是一个可以下的结论，把450级别的小电直控起来，变成一架无人机，并非是一件太难的事情。
我们在谈论控制的时候，一般很少谈论的是控制本身，而是和控制相关的一揽子：观测，规划与控制。而这三者其实最简单的反倒是控制本身。
在实践中，多旋翼的飞行控制会被分成几个模块，用于位置控制的位置和速度控制器，他们的输出一般是飞机给定的姿态与油门量。（btw，固定翼一般是没有XY平面速度的控制器的，直接从位置输出到姿态）
姿态控制
首先说明，我自己的姿态控制器是在px4的mc_att_control（PX4/Firmware）基础上修改而来，代码等我调整的感觉更加满意了再放出来。
首先说，直升机和多旋翼控制最大的不同在于多旋翼基本上使用螺旋桨转速控制一切，而直升机主旋翼转速是固定的，靠旋翼和尾翼攻角的改变控制。从此带来的一系列问题。
用于多旋翼飞行器或者小型固定翼无人机姿态的控制器则分为内环和外环，内环是角速度控制，外环为姿态控制。（名词暂时不做具体解释，等有空了再写成科普）。而这个里面真正需要大量调节的其实是姿态控制器的内环角速度环，还有位置控制器的速度环。因为这两个是和飞机动态最相关的。
直升机和多旋翼飞机有类似的动力学特性（虽然事实上因为陀螺效应的原因直升机的控制力矩和真实偏转的姿态方向有90度的相位差，还有十分复杂的挥舞问题，但在悬停状态下表现的特性十分接近），在SO(3)空间内完全可控的姿态（也就是你可以让飞机在空中保持任何你保持的姿势，传统意义上的固定翼飞行器则不行）。
一般关于直升机的资料中，使用更多的是基于欧拉角的相对线性的姿态控制，也有不少直接把姿态和速度一起控的。对于悬停和平飞来说，这肯定是够用的。
但是随着多旋翼飞控的发展，在（多）旋翼机上更流行的其实是基于四元数的非线性控制方法，如此一来实现一键倒飞也算不得难事。在实践中，作者发现几何上有一点复杂性的SO(3)控制，直升机可以完全沿用多旋翼的控制器（也没有不可以的理由）。也就是一个tilt-torsion上的角度差的P控制器足以解决问题。
关于姿态控制可以参考 @YY硕 的论文
多旋翼姿态控制时先tilt再torsion有什么好处？ - YY硕的回答 - 知乎 https://www.zhihu.com/question/61819700/answer/191420312
有所不同的是在角速度控制上面，本身角速度控制是一个简单的PID控制器，分别控制飞机的roll pitch yaw的旋转，控制率本身没什么好说的。
不同的是
一则是直升机的螺旋桨旋转会带来巨大的陀螺仪噪音，根据转速不同有变化，比如我的Gaui X3使用1880kv，4s电池在70%的转速飞行，大约是36hz的额外噪音，需要使用滤波器剔除掉。而如果使用的飞控减震效果不好的话，巨大的噪音会直接把姿态估计搞歪（比如使用pixhawk1的话roll会歪30度，使用内置减震的pixhawk 2.1则无此问题）。这虽然不是控制问题，但观测不足带来的系统控制偏差比控制器调的烂其实更严重。
二是对于无论多旋翼还是固定翼而言，总推力值的改变都会带来飞机三轴灵敏度的改变。需要针对不同的油门情况改变角速度的控制参数。
不同的是直升机的油门控制被拆分为总距（定速情况下可以理解为旋翼的平均角度）和旋翼转速。而旋翼转速在飞行中是固定不变的。
对于多旋翼而言，thrust油门量的改变会直接放大roll pitch 控制量的灵敏度（因为控制量是线性叠加到油门量上，而电子调速器的性质下推力和油门量的关系是非线性）yaw则不会受到影响，因为电子调速器的控制量对应的是线性的螺旋桨反力矩。和yaw控制力矩的产生是线性的。


所以在mc_attcontrol中，有一个pid_attenuations的函数用于在thrust增加时减小roll pitch的pid参数的大小。
对于直升机而言，这个关系完全不同。直升机的推力改变有两种方式（请参阅推力控制部分），其中总距的改变并不会造成roll pitch 灵敏度的改变--因为总距也好roll pitch 的控制量也好都来自主旋翼攻角的改变。主旋翼作为一块旋转的机翼，在失速前升力对攻角当然是线性的。
但总距的改变会带来额外的yaw反力矩，从而造成改变的yaw力矩（不过调好的yawrate的pid控制器甚至不需要前馈就可以处理的很好。）
直升机上会转变飞机控制灵敏度的是旋翼转速，当旋翼转速增加后，我们通过调小总距获得悬停，会发现有可能本来能控制的非常稳定的姿态开始震动，这是因为转速增加后因为使用旋翼角度来产生的控制力矩会二次方跟着转速增加( )。直升机的高度控制通过总距(也是旋翼角度）来实现，也会变得非常灵敏。而直升机的尾桨一般使用齿轮或者皮带和主桨联动，灵敏度也会二次方增加。
当然这其中没有这么简单，也会有挥舞等效应的作用，也有舵机控制性能随着负载增加而下降的因素。但定性的说确实基本如此。
所以在直升机通过改变总距获得推力时，pid参数不应发生改变；改变转速后，pid参数应该集体变小。
高度油门控制
前文提到，直升机的高度（油门）控制和多旋翼有本质的不同，在（无论是油动还是电动）直升机上，人们更新使用固定桨速的旋翼，通过改变电直的旋翼攻角（总距）来改变总的推力。


对于电直而言，首先这要求了有定速能力的电子调速器。


（好盈的定速电调，良心到不需要打广告）
一般的航模电调控制量对应于螺旋桨的反向力矩，而电压下降后功率转速都会下降，载荷下降后转速会上升。我在一段时间内使用好盈的固定翼电调控制直升机（无定速功能），在使用中，仅仅听声音就可以听出来在总距减小后由于负载减小，直升机的旋翼转速上升的很明显。这对高度控制是极为不利的。当然有人问是不是可以直接控制转速来控制升力，最大的问题在于直升机的旋翼尺寸大，加速减速都较慢，达不到控制要求。远不如特性良好的舵机。
好在一套40-60A好盈的定速电调也就两三百人民币，足够使用。当使用定速电调后，无论电池电压下降还是总距增加旋翼负载增加，定速电调内置的PID控制器都会努力把转速维持在一个统一的大小。
于是在使用中，我们只需要控制总距就可以改变升力大小。总距的改变也就是直接拉三个舵机即可。
所以在飞行控制中，直升机转速可以是给定的，或者可以由旋钮给出。像我会习惯性使用一个固定的旋翼转速大小，因为在实测中这个旋翼转速和总距搭配可以得到较低的悬停功率。
所以在编写飞控的时候，需要拆开桨速和总距，px4原有的actuator_control(3)通道因为有解锁机制保护还是应该对应于螺旋桨转速，但是这个值应该是固定或者由rc的辅助通道输入，仅仅需要解锁机制保护即可，而总距却应该和thrustsp对应。
另一个问题是，直升机主桨带来的气流和压差会对气压计的高度估计造成漂移，实测开桨飘三米。
在实践中，发现如此修改后，px4的默认高度控制器足以稳定直升机的高度（而且表现相当惊艳），旋翼对气压计的干扰由于也较为稳定（主要还是pixhawk 2.1的cube气压计做得好）没有让飞机的高度无法控制。
（现在的稳定和机动性性比这更好）


https://www.zhihu.com/video/1037443994048921600
有了飞控，使用姿态-总距或者姿态-高度控制的直升机经过合理调参，使用RC的手动控制操作性完全是不输多旋翼的。甚至更刺激些。
不过一个小小的问题是直升机因为有尾桨的原因，其实会有向左的附加推力，所以需要一个不是完全平衡的姿态来飞行，也就是会歪着几度roll来飞。可以直接使用遥控器的配平功能，当然这个也被我加到飞控里面了。
位置控制（悬停）
对于旋翼类飞行器来说，悬停是绝大部分需要处理的情况。而如果姿态控制稳定了，那么悬停并非难事，无非是使用推力矢量调节加速度--前提是不要求达到mavic那样变态的定位精度。配置良好的直升机姿态控制器结合多旋翼固有的pos control就可以达到gps定位的效果。
不同的是直升机对风的敏感性远超我的预期。
(这个视频其实是手上在打杆所以看起来不怎么稳，得等下周末有空再重新录了）


https://www.zhihu.com/video/1037443336449200128
位置控制（高速前飞，突风）
直升机和多旋翼控制最大的不同在应是在高速前飞的控制上。（干活去了，未完待续）
二，机械维护
三，负载能力和续航
这部分更新到我的blog上了，读者请自行翻阅
http://blog.xuhao1.me/?p=731
四，安全性与稳定性
五，成本

(写完之前请别转载谢谢，写完以后要转载也请先私信我）