圖：旋翼軸。

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

首先，固定翼是自穩定系統，簡單說就是固定翼飛上天、助推發動機穩定工作之后，不需要怎么控制，固定翼就能自己抵抗氣流的干擾保持穩定。此外對于飛 行器姿態控制來說，固定翼是完整驅動系統，意思是它在任何姿態下可以調整到任何姿態，并且保持住這個姿態（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，直升機是不穩定系統，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，直升機也是完整驅動系統，可以自由調整姿態。這是因為直升 機的槳面不但可以產生相對機身向上的推力，也可以產生相對機身向下的推力。而且直升機沒有失速的問題，什么時候都能調整姿態，可以在天上如散步一般自由運 動。所以直升機雖然不穩定、很難控制好，但是姿態翻了的時候完全可以控制回到正常的姿態。

最后，看官們可能猜到了，多旋翼是不穩定系統，也不是完整驅動系統（或者叫欠驅動系統）。它的槳只能產生相對機身向上的升力。所以它不穩定、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有穩定不穩定、驅動完整不完整的區別，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。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 需要慣性導航系統獲取自身的姿態，而在20世紀90年代之前，慣性導航系統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，可是人們發現，不管是用油機還是電機做多旋翼飛行器的動力系統，都很難得到足夠的載荷。同時，因為固定翼和直升機已經很夠實際使用了，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（MEMS）研究的成熟，幾克重的MEMS慣性導航系統被制作了出來，使得多旋翼飛行器的自動控制器可以做 了。但是MEMS傳感器數據噪音很大，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結構，給 它建模、設計控制算法、實現控制算法。

因此，直到2005年左右，真正穩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瓶頸限制住的多旋翼飛行器系統突然出現在人們視野 中，大家驚奇地發現居然有這樣一種小巧、穩定、可垂直起降、機械結構簡單的飛行器存在。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研究人員研究四旋翼。四旋翼飛行器最早出現在公眾視野可能要 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構復雜，根本沒法低成本地制作出穩定的產品。

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展歷史上里程碑式的演講。這一場充滿數學公式的演講居然大受歡迎，迄今已經有三百多萬次觀看，是TED成百上千個演講中瀏覽量最高的演講之一。