一、無人機的飛行原理

旋翼和輪子一樣，是一項神奇的發(fā)明。

四旋翼無人機更是化作了航拍機，滿足了許多普通人關于天空的想象。

旋翼之所以能飛，玩過竹蜻蜓的朋友應該都知道：當手的搓動給了竹蜻蜓一個旋轉的速度后就會產生升力，讓竹蜻蜓起飛。

同理，多旋翼無人機也是由電機的旋轉，使螺旋槳產生升力而飛起來的。比如四旋翼無人機，當飛機四個螺旋槳的升力之和等于飛機總重量時，飛機的升力與重力相平衡，飛機就可以懸停在空中了。

小時候看漫畫，看到哆啦A夢和大雄頭戴竹蜻蜓自由的在空中翱翔，就特別想和他們一樣，可以飛翔在空中，俯瞰大地。

但是如果現在真有人發(fā)明出一模一樣的竹蜻蜓，我肯定是不愿意戴的。因為飛起來的效果是這樣的：

螺旋槳瘋狂旋轉，人也向反方向瘋狂旋轉……

大雄整個人都轉蒙逼了，還怎么能跟靜香一起看風景呢？

根據牛頓第三定律，旋翼在旋轉的同時，也會同時向電機施加一個反作用力（反扭矩），促使電機向反方向旋轉。這也是為什么現在的直升機都會帶一個「小尾巴」，在水平方向上施加一個力，去抵消這種反作用力，保持直升機機身的穩(wěn)定。

而回到四旋翼飛行器上，它的螺旋槳也會產生這樣的力，所以為了避免飛機瘋狂自旋，四旋翼飛機的四個螺旋槳中，相鄰的兩個螺旋槳旋轉方向是相反的。

如下圖所示，三角形紅箭頭表示飛機的機頭朝向，螺旋槳M1、M3的旋轉方向為逆時針，螺旋槳M2、M4的旋轉方向為順時針。

當飛行時，M2、M4所產生的逆時針反作用力（反扭矩）和M1、M3產生的順時針反作用力（反扭矩）相抵消，飛機機身就可以保持穩(wěn)定，不會像大雄那樣「瘋狂」自轉了。

不僅如此，多軸飛機的前后左右或是旋轉飛行的也都是靠多個螺旋槳的轉速控制來實現的：

垂直升降

這個很好理解，當飛機需要升高高度時，四個螺旋槳同時加速旋轉，升力加大，飛機就會上升。當飛機需要降低高度時同理，四個螺旋槳會同時降低轉速，飛機也就下降了。

之所以強調同時，是因為保持多個旋翼轉速的相對穩(wěn)定，對保持飛行器機身姿態(tài)來說非常重要，看了之后的講究你就會明白了~

原地旋轉

上面已經說了，當無人機各個電機轉速相同，飛機的反扭矩被抵消，不會發(fā)生轉動。

但是當要飛機原地旋轉時，我們就可以利用這種反扭矩，M2、M4兩個順時針旋轉的電機轉速增加，M1、M3號兩個逆時針旋轉的電機轉速降低，由于反扭矩影響，飛機就會產生逆時針方向的旋轉。

水平移動

多軸飛機與我們平時乘坐的客機不同，沒有類似客機那樣垂直于地面的螺旋槳，所以無法直接產生水平方向上的力來進行水平方向上移動。

當然這難不倒我們，還拿上圖的四旋翼來說，當需要按照三角箭頭方向前進時，M3、M4電機螺旋槳會提高轉速，同時M1、M2電機螺旋槳降低轉速，由于飛機后部的升力大于飛機前部，飛機的姿態(tài)會向前傾斜。

傾斜時的側面平視如下圖，這時螺旋槳產生的升力除了在豎直方向上抵消飛機重力外，還在水平方向上有一個分力，這個分力就讓飛機有了水平方向上的加速度，飛機也因而能向前飛行。

相反的：當M1、M2電機加速、M3、M4電機減速時，飛機就會向后傾斜，從而向后飛行。

同理可得：當M1、M4電機加速，M2、M3電機減速時，飛機向左傾斜，從而向左飛行；

當M2、M3電機加速，M1、M4電機減速時，飛機向右傾斜，從而向右飛行。

這樣一解釋，是不是覺得多旋翼的飛行原理很簡單？~

其實在多旋翼之前，人們是用更復雜的固定翼飛機和直升機來進行航拍的。

但固定翼飛機的起飛降落對場地要求非常高，也不能懸停，沒法垂直上升下降，局限性太大。

而直升機雖載重大、速度快，但是它結構非常復雜而精密，上千個零件無論是從調試還是保養(yǎng)方面都非常的麻煩。

相比而言，多旋翼的飛行原理簡單，機身結構也就更加簡單可靠，消費者可以很快的上手飛行而不需要過多的調試和保養(yǎng)，因此多旋翼很快占領了航拍市場。

二、無人機的幾大系統(tǒng)

中學生物課我們都學過，人體可以被分為運動系統(tǒng)、神經系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等幾大系統(tǒng)。

和人體一樣，一架完整的多旋翼航拍無人機也可以被分為以下幾大系統(tǒng)：飛控系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、圖傳系統(tǒng)、云臺、航拍相機。

飛控系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)（Flight control system）可以看做無人機的大腦，飛機是懸停還是飛行、向哪個方向飛，都是由飛控下達指令的。

飛控是如何做到控制飛機保持姿態(tài)的呢？這是由于飛控包含“小腦”，也就是有數個傳感器，基礎的飛控包含了如下傳感器：

GPS：用于獲取飛機的經緯度信息，確定自己的位置；

氣壓計：用于測量當前大氣壓，獲取飛機的高度信息；

IMU：慣性測量單元，包含一個三軸加速度計和一個三軸陀螺儀，來測量飛機在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)。

指南針：用于分辨飛機在世界坐標系中的朝向，也就是把東南西北和飛機的前后左右聯系起來。

一套飛控

隨著科技的發(fā)展，現在的一些航拍無人機上還加入了更多的傳感器，例如超聲波可在近地面測量精準高度、光流可在沒有GPS的室內幫助飛機定位懸停。

用以上傳感器收集到信息后，飛控會對數據進行融合，判斷出飛機當下的位置、姿態(tài)、朝向等信息，然后對如何飛行進行決策。

遙控系統(tǒng)

遙控系統(tǒng)包含地面的遙控器和飛機端的接收模塊。除了俯仰（pitch）、橫滾（roll）、航向（yaw）、油門（throttle）兩個搖桿的四個通道外，還包含了切換飛行模式、控制云臺轉動、控制相機拍照等功能。這些指令都會通過遙控器的發(fā)射系統(tǒng)，用無線信號傳遞給飛機，由飛機上的接收模塊接收信號，目前主流無線電信號是2.4G信號。

遙控器與接收機

動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)包括無人機的電調、電機、槳葉、動力電池。

電調：全稱電子調速器，把動力電池提供的直流電轉換為可直接驅動電機的三項交流電。電調接收飛控指令后，控制電機轉速，從而實現飛機的傾角改變。

電機：目前主流電機為無刷電機，電機的作用就是通過轉動，帶動螺旋槳的轉動，從而提供升力。

槳葉：槳葉固定在電機軸上，隨電機的轉動而轉動，為無人機帶來升力，實現飛行。

動力電池：航拍無人機目前多使用鋰聚合物為動力，把數片電芯串并聯在一起，為飛行提供動力。

槳葉、電調、電機

圖傳系統(tǒng)

圖傳顧名思義就是把飛機上看到的圖像傳輸到使用者面前的屏幕上，除畫面外，圖傳也傳輸飛機的飛行數據。因此使用者可在顯示屏、APP上看到飛機實時的圖像和高度、速度信息。圖傳通常使用5.8G、2.4G頻段。

常用的圖傳有模擬圖傳和數字圖傳兩種，目前在航拍無人機中數字圖傳以質量高、傳輸距離遠的優(yōu)勢更受消費者青睞。

而數字圖傳中，又以大疆的LightBridge技術效果最為拔群，不過最近以色列的Amimon CONNEX公司也推出了低延時的數字圖傳，不知道效果怎樣呢？

圖傳系統(tǒng)

云臺

如果有嘗試過手持手機步行錄像就會發(fā)現畫面存在抖動，飛機機身的晃動也會帶來畫面的抖動，為了消除抖動，就有了云臺。云臺通過三軸加速度計和三軸陀螺儀中獲取數據，并計算出傾角，反向修正位置來維持相機畫面的水平。

三軸云臺可消除各方向上的抖動，為此云臺上有三個電機，如飛機向右傾斜，云臺向左反向傾斜，與地面保持相對水平，從而實現畫面增穩(wěn)。

GoPro 云臺

航拍相機

部分航拍無人機包含相機，有的則需要搭配GOPRO或其他相機。專用的航拍相機與普通相機基本相同，只是由于航拍被拍攝物一般離相機距離遠，有物距大，景深大的特點，另航拍相機多使用廣角、定焦鏡頭。

航拍相機

這幾大系統(tǒng)，基本都是早年航模留下來的分類。

說不定隨著無人機技術的發(fā)展。

今后也會發(fā)展出「避障系統(tǒng)」「變形系統(tǒng)」呢？（或者已經有了？）

讓我們一起期待吧~

三、無人機的外觀介紹

今天，我們就來給新手們簡單講解一下，無人機身上的各個部件，到底有什么作用~？這里以常見的DJI 精靈4為例。

1電機

消費級航拍無人機多為四軸和六軸，每個軸上的電機帶動螺旋槳旋轉來產生升力，并以此飛行。目前主流的電機是無刷電機，電機分為定子和轉子，下圖的繞組線圈就是電機的定子，通過磁場驅動永磁磁鋼也就是轉子轉動，電機就轉起來了。

左邊為轉子，右邊為定子

常聽人們問這個電機是2212還是2312的？這四位數字到底是什么意思呢，其實這是電機的尺寸。 例如精靈4電機是2312的，這表示電機定子的直徑是23mm，定子的高度是12mm。前兩位數字越大的電機越寬，后兩位數字越大的電機越高。

細心的朋友會發(fā)現，精靈4的電機有3°的向外傾斜 ，這樣設計可以使精靈4的方向旋轉更加靈活。

2螺旋槳

常見的螺旋槳有塑料、碳纖等材質，還有2、3葉之分，精靈4用的是兩葉的槳。為什么不用三葉槳呢？因為簡單的增加葉數并不能增加升力，還要考慮阻力，電池放電能力等因素。

螺旋槳也常用4位數來表示尺寸，例如精靈4采用9450槳葉，其中前兩位表示槳葉的直徑，后兩位表示槳葉的螺距。

螺旋槳的安裝的方式也各不相同，消費級航拍無人機有以下幾種安裝螺旋槳的方式。

螺絲固定槳葉

通過螺絲來固定槳葉，常見于航模。

通過螺紋把螺旋槳旋轉固定在電機上，在電機旋轉的過程中由于旋轉的力會擰緊槳葉，但某些情況下會有射槳的風險。

快拆槳

如自緊槳螺紋損壞或電機由于堵轉陡停，會導致槳葉脫離電機飛出（射槳），因此最新的飛機傾向于使用可靠性更高的快拆槳，例如精靈4就采用快拆槳。

3LED燈

消費級航拍無人機在機臂下方一般都有著LED燈，這燈并非僅為裝飾，而是大有用處的。

在飛行中前方紅色的LED燈起到了表明飛機位置和機頭朝向的作用，后方的燈則表明飛機的實時狀態(tài)，例如飛機正常情況下綠燈慢閃，失控時黃燈快閃，低電量時紅燈慢閃。

4電調

把精靈4的電池拔出后，從電池倉看進去，會看到部分電路板，這就是飛機的電調板，用于控制電機的電流大小。

無人機的電子設備也是怕水的，像手機一樣，進水后會影響保修，因此在機身中貼有一張防水標簽，遇水變紅，如果維修時這張標簽是紅色，就會影響保修。所以雨天、大霧天還是不要飛行，回南天也要注意防止進水。

5超聲波/視覺定位/視覺避障

上圖中間兩個大的圓孔是超聲波模塊，運用了超聲波原理來在低空情況下精準定高；兩側較小的兩個圓形是視覺定位模塊，類似兩個眼睛，利用了圖像識別技術使其在室內也可懸停。

在精靈4前方的腳架上，我們也可看到兩個“小鏡頭”，這是精靈4避障的關鍵所在，依靠這兩個鏡頭的立體成像，精靈4可以實現視覺主動避障。目前無人機避障有幾種技術，精靈4的視覺避障、英特爾realsense技術、超聲波避障技術。

6鏡頭

連接著相機和機身的部件叫做云臺，云臺可以保持相機在飛行時的穩(wěn)定，消除畫面抖動。精靈4將部分云臺做到了機身中，使得整個機身線條更加流暢。

為保證畫面實現各個方向上的增穩(wěn)，云臺分別有三個軸：俯仰、橫滾、航向，每個軸都有一個電機，用于在飛機傾斜時讓畫面仍保持平穩(wěn)。

7遙控器

其實在最早飛的時候，飛無人機用的遙控器差不多都是長這個樣子的：

雖然看著很多按鈕、撥桿很酷炫，但是使用難度也很高，什么功能對應哪個開關都需要進行設置，油門行程校準之類的操作也要自行完成。這樣一臺遙控器的使用指南往往長達數十頁，難倒了一眾新人。

后來在一體機中，為了新人也能快速學會使用遙控器功能，遙控器被大大簡化了。

在這樣的遙控器中，每個開關都已經對應好了相應的功能，只需要記住每個開關對應的模式，拿到手就可以直接進行飛行。

再后來，大概是由于這樣的遙控器外形過于簡單、功能偏少，遙控器又設計為了下圖的樣子

遙控器上的按鍵重新變多了，更多的操作都可直接在遙控器上進行，遙控器上加入了操作頻率高的拍照、錄像按鈕以及重要的返航按鈕。這時每個按鍵變得更直觀，人機工程做得更合理。

好了，熟悉好了飛機，剩下的就是學習飛行了~

四、無人機的專業(yè)術語

航拍無人機只能是多旋翼？Parrot站出來不服并且扔給了你一臺固定翼的Parrot Disco······

對，沒錯，跳舞的那個迪斯科（Disco）。

不如跳舞，飛飛機不如跳舞~

派諾特 迪斯科，Parrot Disco

雖然官方說可以手拋起飛，但是畢竟是固定翼啊，不能懸停的。

這要是在城市里，不能懸?；镜扔凇刚C沒商量」······

更別提降落了，上哪兒給你找又寬廣又柔軟的草地去···

不過提供的FPV VR模式不錯，因為固定翼的視角更能讓你感覺「像鳥兒一樣翱翔天空」。

不過僅僅只能拍1080P的視頻顯然還是差了點。

城市里這么擠，也沒有帶草坪的豪宅，咱們新手還是乖乖的買四軸吧···

玩四軸就簡單了，跟著老司機慢慢學基本唄~

要跟老司機聊的來，一些無人機的術語一定要學！

今天呢，就來給大家講講「實用又有趣的無人機術語」~

多旋翼：是一種具有兩個旋翼軸以上的旋翼飛行器，常見多旋翼有四旋翼、六旋翼、八旋翼等。

俯仰：Pitch，由美國手右搖桿上下控制，打桿控制飛機向前/后飛行。

由于圖示中的飛機是固定翼，所以在俯仰時會有高度變化，而多軸飛行器俯仰時不會有高度變化，只會前后飛行。

橫滾：Roll，由美國手右搖桿左右控制，打桿控制飛機向左/右飛行。

由于圖示中的飛機是固定翼，所以在橫滾時也會前后位置變化，而多軸飛行器橫滾時不會前后飛行，只會左右飛行。

航向：Yaw，有美國手左搖桿左右控制，打桿控制飛機向左/右旋轉。

由于圖示中的飛機是固定翼，所以在旋轉時也會有位置變化，而多軸飛行器旋轉時不會位移，只會原地旋轉。

由于操作習慣不同，遙控器的搖桿布局有三種，中國手（反美國手），美國手（多旋翼最常用），日本手。

炸機：飛機在飛行或起降過程中，由于操作問題或機械故障導致飛機撞擊障礙物或墜落的事故，統(tǒng)稱炸機。

爽飛：一般指在飛行期間沒有任何意外，飛行地非常順利。

一鍵放生：一般指一鍵返航時無人機飛丟，放生的原因可能是撞到障礙物、指南針受到干擾或者GPS失去信號。

提控回家：指無人機飛丟，找不到，無奈只能拎著遙控器回家。

冗余：為增加可靠性，在必備系統(tǒng)基礎上增加備份。如使用雙IMU，在一個IMU故障時可由另一個IMU承擔其功能，六軸如動力有冗余，在單個電機缺少動力時仍可飛行。

信道：是信號在通信系統(tǒng)中傳輸的通道，如同一場地內多架飛機使用同一信道，圖傳會相互干擾。

過放：電池正常放電至截止電壓后，繼續(xù)放電導致電池內部遭到不可逆的損壞。

射槳：在電機旋轉過程中，原本在電機上的螺旋槳脫離飛出被稱作射槳。

果凍：航拍中所說的「果凍」是由于震動過大、減震球不合適等原因造成照片、視頻中出現類似下圖的抖動現象，由于神似被戳動的果凍而被成為“果凍”。

丟星：飛機GPS模塊搜不到足夠的衛(wèi)星，容易導致飛機無法定點懸停，發(fā)生飄移。

壓差：無人機鋰電池由數塊電芯串并聯而成，通常電芯電壓相近，電芯最高與最低電壓的差值即是壓差，壓差過大則電池不宜繼續(xù)使用。