尾座式垂直起降飞机（Tailsitter）

在 ArduPilot 中，尾座式飞机是指在水平前飞与悬停状态切换时，机身（及飞控）整体旋转的一类垂直起降（VTOL）飞行器。

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一、基本概念

尽管名字叫“尾座式”，并非所有机型都用尾部着陆：

• 部分为腹部着陆型：平躺着陆，提升风场起降稳定性
• 部分带起落架，可轮式起降
• 部分带支架或其他着陆辅助装置

在 ArduPilot 里，所有尾座式机型均归为QuadPlane（垂起固定翼） 类别，建议先阅读 QuadPlane 文档，再学习尾座式专属设置。

启用尾座式功能及相关参数：

• 大多数尾座机：Q_TAILSIT_ENABLE = 1
• 仅多轴电机型尾座机（无升降副翼/副翼/升降舵等舵面）：Q_TAILSIT_ENABLE = 2

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二、矢量推力与非矢量推力

ArduPilot 将尾座机分为两大类：

1. 矢量推力尾座机
   旋翼可独立于机身倾转，实现矢量推力控制。
2. 非矢量推力尾座机
   旋翼相对机身固定，靠大尺寸舵面维持悬停操控；双电机版本可通过差动推力控制机体航向。

非矢量推力再细分：

• 单/双电机型：1–2 台电机，双电机可用差动推力；单电机类似 3D 固定翼，靠大舵面在螺旋桨洗流中悬停，飞控提供稳定、悬停、导航控制。
• 多轴电机型：3、4 或更多电机，悬停时接近多旋翼；可带或不带固定翼舵面。无舵面的多轴尾座机，在固定翼模式下必须全程用电机控姿，设为 Q_TAILSIT_ENABLE = 2 会自动实现这一点。

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三、尾座机配置

固件 4.2 及以后

直接设置：

• Q_TAILSIT_ENABLE = 1 或 2
  即可启用尾座式 VTOL 后端。

参数说明

• Q_TAILSIT_MOTMX = 0（默认）：无额外多轴电机，飞控输出滚转、俯仰、偏航、油门（总油门/左油门/右油门），控制副翼、升降副翼、升降舵、方向舵及前向电机。
  优点：可按普通固定翼流程在 MANUAL、FBWA 模式调参，切悬停后操控方向一致。
• Q_TAILSIT_MOTMX ≠ 0：带多轴电机，类似常规 QuadPlane。此参数决定固定翼模式下哪些电机保持工作。用 Q_FRAME_CLASS、Q_FRAME_TYPE 配置多轴电机布局，对应电机输出激活。

配置速查表

尾座机型式	ENABLE	CLASS	TYPE	MOTORMASK	电机输出功能
3D 单电机	1	10（单/双）	—	0	总油门
双电机 / 双电机矢量	1	10（单/双）	—	0	左油门、右油门
带固定翼舵面的多轴尾座	1	匹配 VTOL 电机数	匹配混控	固定翼模式活跃电机	电机 1~x
无固定翼舵面的多轴尾座	2	匹配 VTOL 电机数	匹配混控	固定翼模式活跃电机	电机 1~x

ENABLE = Q_TAILSIT_ENABLE；CLASS/TYPE/MOTORMASK 分别对应 Q_FRAME_CLASS、Q_FRAME_TYPE、Q_TAILSIT_MOTMX。

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四、电机布局

多轴电机尾座机

Q_TAILSIT_MOTMX ≠ 0 时，支持所有多轴电机布局。用 Q_FRAME_CLASS、Q_FRAME_TYPE 配置，激活对应电机输出。

注意：

• 4.1 以前固件，多轴尾座机无偏航力矩控制，滚转仅靠舵面；现在 QUAD PLUS、X 架构可通过电机控偏航，并新增 16、17 型无扭矩偏航架构。
• 4.1 以前无舵面多轴尾座机需用 Q_TAILSIT_MOTMX 保持电机工作，并开启 Q_OPTIONS 位 7（Force QASSIST）；4.2 以后直接 Q_TAILSIT_ENABLE = 2 即可，忽略 Q_TAILSIT_MOTMX。

专用无偏航扭矩（NYT）架构：

• Q_FRAME_TYPE = 16：PLUS 型
• Q_FRAME_TYPE = 17：X 型

单/双电机尾座机

Q_TAILSIT_MOTMX = 0 且 Q_FRAME_CLASS = 10 时启用。可搭配倾转舵机实现矢量推力，操控权限更高；非矢量则依赖大舵面在螺旋桨洗流中控姿。

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五、飞控朝向

• AHRS_ORIENTATION、加速度计校准、水平校准均按固定翼姿态完成，固定翼为“标准朝向”。
• 悬停（VTOL）：机头尽量垂直向上为“水平”
• 前飞（固定翼）：机头尽量水平向前为“水平”

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六、关键参数

控制增益

• VTOL 悬停：使用多轴类 PID（Q_A_RAT_x 开头）
• 固定翼前飞：使用固定翼类 PID（RLL_RATE_x、PTCH_RATE_x）

角度限制

• Q_TAILSIT_RLL_MX：单独设置滚转角度限制；为 0 时俯仰、滚转均受 Q_A_ANGLE_MAX 限制。适合俯仰安全角远大于滚转的机型，避免高速侧飞无法改出。

俯仰微调

• Q_TRIM_PITCH：补偿推力线不通过重心或固定翼配平带来的悬停俯仰偏移。在 QSTABILIZE/QHOVER 无操作时，让飞机不前后飘移。

小技巧：
加速度计校准后，若悬停时左右飘移，可在 QSTABILIZE/QHOVER 模式下用地面站“水平校准”按钮配平悬停姿态，之后重新调整固定翼 PTCH_TRIM_DEG 与 Q_TRIM_PITCH。

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七、矢量推力设置

若带矢量推力，需为左右倾转舵机、左右电机油门设置 SERVOn_FUNCTION：

• 左倾转舵机（如通道 5）：SERVO5_FUNCTION = 75
• 右倾转舵机（如通道 6）：SERVO6_FUNCTION = 76
• 左电机油门（如通道 7）：SERVO7_FUNCTION = 73
• 右电机油门（如通道 8）：SERVO8_FUNCTION = 74

同时正确设置 SERVOn_REVERSED、TRIM、MIN、MAX。

矢量机必须关闭 Q_A_ANGLE_BOOST，否则低头时油门下降，加剧低头导致炸机。

安全提醒

解锁前切到 QHOVER/QLOITER 会让电机/舵机直接进入前飞姿态，腹部着陆型可能打桨。正确流程：

1. 稍推油门使倾转舵机抬起
2. 油门回中位
3. 再解锁
   自动起飞同理：先 QSTABILIZE 抬电机→解锁→切 AUTO。

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八、TVBS（推力矢量腹部着陆型）

即双电机矢量、腹部着陆的尾座机，无需尾部支撑。

• 倾转舵机至少需 ±45° 行程，推荐 ±60°，避免起飞滑蹭
• 起飞时果断推油门到悬停以上，减少滑蹭
• 固定翼着陆可用 RCx_OPTION = 89，怠速时强制倾转舵机竖起，并可设目标俯仰 LAND_PITCH_DEG 拉平，防打桨。

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九、矢量增益

• Q_TAILSIT_VHGAIN：悬停时矢量推力权重，典型约 0.8
• Q_TAILSIT_VFGAIN：前飞时矢量推力权重，典型约 0.2
  配合 MIXING_GAIN 升降副翼增益，可分配舵面与矢量推力的操控比例。

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十、多轴电机 PID 增益缩放

通过 Q_TAILSIT_GSCMSK 位掩码选择增益缩放方案，Q_TAILSIT_GSCMIN/MAX 设上下限。所有缩放均以悬停油门点为基准，务必先正确设置悬停油门。

可选方案：

1. 油门缩放（位 0）：舵面偏度随油门反向变化，高油门小偏度、低油门大偏度。非多轴尾座机的矢量推力默认用此方式。
2. 高油门/大倾转减增益（位 1）：大倾转角、高油门时减小舵面偏度，防高速振荡，可与油门缩放叠加。
3. 圆盘理论（位 2）：综合螺旋桨洗流与前飞空速计算舵面有效流速，需设 Q_TAILSIT_DSKLD（飞机 kg 重 ÷ 螺旋桨总盘面积）。若舵面只有一半在洗流中，数值减半。振荡则减小此参数。建议配空速计使用。
4. 高度修正（位 3）：增益随高度缩放，适合大高度差作业，可与其他方案叠加。

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十一、姿态转换

尾座机转换逻辑与普通 QuadPlane 不同：

• 前飞转换（VTOL→FW）：机头俯到 Q_TAILSIT_ANGLE 时完成切换。俯冲到前飞的俯仰速率由 Q_TAILSIT_RAT_FW 控制。
• 回悬停转换（FW→VTOL）：机头仰到 Q_TAILSIT_ANG_VT 时切回多轴控制器；为 0 则共用 Q_TAILSIT_ANGLE。仰头速率由 Q_TAILSIT_RAT_VT 控制。

注意：

• 地面解锁状态从固定翼切 VTOL，电机会立即旋转并抬倾转，可能导致位移。可设 Q_OPTIONS 位 18，仅在 VTOL 模式下允许解锁。
• 转回悬停全程用 Q_M_THRST_HOVER 油门，易爬升。可用 Q_TAILSIT_THR_VT 降低油门，实现近似平高转换。无舵面多轴尾座机（ENABLE=2）效果尤好。
• 转换期间飞控全权接管，遥控器输入无效。完成后地面站会弹出提示，超时时间为预期时间的 1.5 倍。

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十二、无舵面飞行

不推荐，但可实现。先确保悬停模式稳定：

• Q_OPTIONS 位 7（Force Qassist）：所有模式强制用多轴控制器
• Q_OPTIONS 位 8（Mtrs_Only_Qassist）：电机用多轴控制，舵面保留固定翼控制，充当配平片。

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十三、操控输入模式

用 Q_TAILSIT_INPUT 设置悬停操控逻辑：

• 0：悬停同多旋翼，偏航杆控大地偏航，滚转杆控大地滚转（适合多旋翼飞手）
• 1：悬停同 3D 机，偏航杆控大地滚转，滚转杆控大地偏航（适合 3D 固定翼飞手）
• 2/3：平飞同 3D 机，悬停分别同 0/1，按欧拉俯仰拆分机体/大地坐标系指令

注意：

• 尾座机体坐标系旋转，滚转限制由 Q_YAW_RATE_MAX 设角度，偏航速率由 Q_TAILSIT_RLL_MX 设 deg/s；俯仰限制为 Q_A_ANGLE_MAX。速率过高易失控。
• QACRO 模式忽略此参数，全为机体坐标系操控。

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十四、重心要求

尾座机对重心前后/上下更敏感。悬停时机身不能明显前倾或后仰，非矢量机型尤为关键。

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十五、解锁前故障排查

上电时机头朝上，DCM 与罗盘融合易出现姿态不一致，报类似：
Pre-Arm: DCM roll/pitch inconsistent by xx degrees

解决方法：

1. 水平上电，完成 IMU 倾斜初始化（约 10–15 秒），再竖起飞控继续初始化，GPS 锁定后解锁
2. 出现故障时，水平放置 10–30 秒，待 AHRS 同步后再竖起解锁

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参考链接：https://ardupilot.org/plane/docs/guide-tailsitter.html