目录

    译者序

    前言

    第1章 引言

    1.1 定义

    1.2 目标读者

    1.3 无人机用户社区

    1.4 自主飞行简史

    1.4.1 无线电控制模型飞机

    1.4.2 微芯片的出现

    1.4.3 无人机技术

    1.4.4 GPS的发端

    1.4.5 互联网

    1.4.6 智能手机

    1.4.7 小型自动驾驶飞行控制器

    1.5 飞行原理

    1.5.1 重力

    1.5.2 升力1.5.3 空气阻力

    1.5.4 推力

    1.6 飞行机动：用操纵杆控制飞行器的运动

    1.6.1 油门

    1.6.2 偏航

    1.6.3 俯仰

    1.6.4 翻滚

    第2章 机身

    2.1 什么是机身

    2.1.1 推力矢量

    2.1.2 飞行器设计

    2.1.3 材料

    2.1.4 保持平衡

    2.2 制作“小熊座”机身

    2.3 制作步骤

    2.3.1 第1步：安装压铆螺母柱

    2.3.2 第2步：组装脏框架

    2.3.3 第3步：组装干净框架

    2.3.4 第4步：连接两个子框架第3章 传动系统

    3.1 螺旋桨

    3.1.1 方向

    3.1.2 尺寸和螺距

    3.1.3 平衡

    3.2 电动机

    3.2.1 尺寸

    3.2.2 额定KV值

    3.2.3 搭配合适的螺旋桨

    3.3 总升力

    3.3.1 电子速度控制器

    3.3.2 飞行电池

    3.4 制作步骤

    3.4.1 第1步：安装配电板

    3.4.2 第2步：焊接插塞接头

    3.4.3 第3步：安装速度控制器

    3.4.4 第4步：焊接电源

    3.4.5 第5步：安装无刷电动机

    3.4.6 第6步：连接无刷电动机3.4.7 第7步：清理

    3.5 小结

    第4章 飞行控制器

    4.1 什么是飞行控制器

    4.1.1 对比开源与闭源

    4.1.2 传感器

    4.1.3 飞行特性

    4.1.4 软件助手

    4.2 制作步骤

    4.2.1 第1步：安装飞行控制器

    4.2.2 第2步：连接飞行控制器输出

    4.2.3 第3步：连接两个子框架

    4.3 小结

    第5章 GPS、罗盘和电池监测仪

    5.1 GPS

    5.2 罗盘

    5.3 电池监测仪

    5.4 制作步骤

    5.4.1 第1步：安装GPS设备5.4.2 第2步：连接GPS和罗盘至APM

    5.4.3 第3步：安装电池监测仪

    5.5 小结

    第6章 发射机

    6.1 什么是发射机

    6.2 最常用的频段

    6.3 全球各地的不同模式

    6.4 对比PWM与PPM

    6.5 制作步骤

    6.5.1 第1步：确定需求

    6.5.2 第2步：安装接收机

    6.5.3 第3步：接通接收机

    第7章 遥测电台

    7.1 软件监视与控制

    7.2 制作步骤

    7.2.1 第1步：安装地面站电台

    7.2.2 第2步：准备安装飞行器电台

    7.2.3 第3步：接通电台

    7.2.4 第4步：安装飞行器电台第8章 摄像头和FPV设备

    8.1 流行的无人机摄像头

    8.1.1 M43相机

    8.1.2 Mobius运动摄像头

    8.2 用于直播流的FPV

    8.3 制作步骤

    8.3.1 第1步：固定摄像头支架

    8.3.2 第2步：固定隔振板

    8.3.3 第3步：放置摄像头于快拆支架中

    第9章 ArduPilot Mega设置

    9.1 制作步骤

    9.1.1 第1步：更新固件

    9.1.2 第2步：连接并完成必要的设置

    9.1.3 第3步：添加可选硬件

    9.2 探索Mission Planner的其余功能

    9.2.1 飞行模式

    9.2.2 地理围栏

    9.2.3 基础调整

    9.2.4 扩展调整9.2.5 标准参数

    9.2.6 飞行数据

    9.2.7 飞行计划

    9.3 准备处女航

    第10章 安全、负责任的飞行

    10.1 安全第一

    10.2 培训和教育

    10.3 资源

    10.4 重要链接

    10.5 关键飞行安全规则

    10.6 第一人称视角

    10.7 飞行的场合和时机

    10.8 飞行前检查列表和飞行日志信息

    10.9 飞行器检查

    10.10 飞行和维护日志

    10.11 法规和监管

    第11章 现实世界中的应用

    11.1 有益的无人机

    11.2 航空摄影11.3 地图绘制与测量

    11.4 精准农业

    11.5 搜索与救援

    11.6 基础设施检查

    11.7 环境保护

    第12章 扩展无人机的能力

    12.1 增加一个摄像头和第一人称视角

    12.2 用其他传感器采集更多数据

    12.3 改变速度：各就各位，预备，起飞

    12.4 延长飞行时间

    12.5 致谢译者序

    无人机无疑是近年来快速发展的一个领域。无论是在军用还是在民用领域，无

    人机因其成本低廉、功能多样而深受欢迎。在将来的一段时间内，其理论、制造和

    应用都将继续发展。

    随着航空电子设备、传感器和搭配的计算机软硬件的不断发展，无人机已经摆

    脱了过去遥控飞行器的藩篱，引进了许多令人耳目一新的技术，成为真正的航空机

    器人。现代化的无人机不仅能够在地面控制下执行许多任务，还有相当强大的自主

    飞行能力，可在许多人们难以到达的环境中智能地完成任务。

    无人机的广泛应用也催生了发展越来越壮大的爱好者社区，航模爱好者、计算

    机爱好者及摄影爱好者不断地加入其中。关于无人机的新闻报道也层出不穷，这方

    面的书籍更是数不胜数，但是刚入门的爱好者急需的是一本系统地介绍无人机结

    构、原理、制作过程以及安全事项的教程。本书由Kilby夫妇联袂编写，其中Terry

    Kilby为身兼多种专业背景的无人机制作能手，Belinda Kilby为具备视觉艺术背

    景的教师。本书从无人机的基本概念和工作原理入手，通过对一架小型无人机制作

    过程的详细介绍，从而使读者对这一现象级新事物有全面的了解。本书最后还介绍

    了无人机在实际中的应用、飞行安全须知等实用知识，并提供了许多社区资源，使

    读者可以继续拓展自己的知识面及增长制作经验，成为真正的无人机行家。本书不

    仅适合初学者入门学习，还适合有一定经验的制作者参考。

    本书的翻译工作主要由姚军完成，宁懿、白龙、方翊、林耀成等人也为本书的

    翻译做出了贡献。同时，在此感谢华章公司的编辑缪杰在翻译过程中给予的帮助和

    指导。

    译者

    前言

    我们是Belinda和Terry Kilby。我们是无人机爱好者、航空摄影师、制作者、培训师，也是一对夫妻。我们一起生活，同时也结合了彼此对技术和艺术的专

    长及热情。从2010年起，我们的公司Elevated Element已经设计和制作了用于艺

    术和实用航空摄影的小型无人飞行器(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)。作为

    这方面的尝鲜者，我们成为所在地区媒体的非正式UAV技术发言人。我们跟踪硬件、软件方面的进展以及无人机的新闻报道，因此，我们可以在艺术和创新方面代表无

    人机的制作者和用户。

    同类书籍中的先行者

    2013年秋季，我们发行了《无人机艺术：巴尔的摩》，这是第一本完全使用小

    型定制UAV拍摄的照片集。该书的导言中描述了我们是如何入手以及设备和工作是如

    何演变的。照片按照时间顺序排列，展现了在我们逐渐理解如何制作、飞行和使用

    这些无人机拍摄照片的过程中，照片质量的不断提高。通过巴尔的摩促进与艺术办

    公室，我们将新书发布会安排在巴尔的摩世界贸易中心的“世界之巅”观景台上举

    行。这是一个完美的地点，因为第27层楼窗户的视角和我们工作的主题十分契合

    ——鸟瞰。

    本书的目标

    本书的目标是以“小熊座”(Little Dipper)300级自主四轴直升机的制作方

    法为例，介绍空中机器人的实用知识。读者阅读本书并遵循书中的步骤和建议，便

    可以学到四轴直升机的工作原理，以及它所带来的一些设计难题的解决方案。在适

    当的地方，我们还将建议可供尝试的替代选项，或者适合读者自身偏好的同级零

    件。不管你选择的是制作四轴还是八轴直升机，使用的都是相同的概念。

    “小熊座”是一种开源设计，设计文件可以从

    http:gettingstartedwithdrones.comlittledipper-build下载，也可以

    从http:www.MakerShed.com订购完整的“小熊座”套件。

    不要担心失败，每个人都会犯错。唯一重要的是，我们不断尝试、动手制作。

    航空机器人是一种亲身体验，你可以通过反复尝试解决现实中的问题，最终得到来

    之不易的经验。

    重量分布或者速度上最小的差别，也能够决定成败。本书使用方法

    本书的每个章节将介绍无人驾驶飞机技术的一个特定部分。其中的一章可能介

    绍种类繁多的机身，而另一章可能深入介绍使用全球定位系统(Global

    Positioning System，GPS)辅助飞行的方法。我们努力介绍尽可能多的主题，但

    是要牢记，本书是一本入门书籍，而不是包罗万象的UAV百科全书。如果你是该技术

    的新手，本书中有大量重要的内容供你仔细揣摩。即使你对无人机已经很熟悉，我

    们也可以肯定，你仍然能够找到一些极具价值的信息加入到自己的知识库中。

    读完第1章之后，你应该会发现一种重要的模式：大部分章节都先介绍背景和理

    论知识，然后对制作示例进行分步讲解。你制作的是不是本书中介绍的同一种飞机

    并不重要，每个章节的理论部分都适用于绝大部分的无人机——从小型的250级四

    轴直升机到巨型的1000级八轴直升机。如果你不想效仿我们的型号，尽可以跳过制

    作指南，根据自己的需要学习其中的理论。

    不管你是经验丰富的无人机驾驶员还是业余爱好者，我们认为每个人都能从每

    一章节的理论部分中获益。我们建议你阅读这些理论知识，如果你也遵照示例制作

    飞行器，可以边阅读边制作，或者先学习理论再开始制作。对所涉技术的全面理解

    将在开始制作飞机之后为你提供帮助。

    本书使用约定

    本书使用如下排版约定：

    >表示一般注解、提示或者建议。

    表示警告。

    Safari在线图书

    Safari在线图书(http:www.safaribooksonline.com)是一个点播式的

    数字图书馆，提供来自技术和商业领域的世界一流作家们的书籍和视频专业内容。

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    究、解决问题、学习和认证培训的主要资源。Safari在线图书为企业、政府机构、教育机构和个人提供一系列产品组合和定

    价计划。

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    Press、Apress、Manning、New Riders、McGraw-Hill、JonesBartlett、Course Technology等数百家出版商的可搜索数据库访问数千种书籍、培训视频和

    出版前手稿。关于Safari在线图书的信息，可以访问我们的网站。

    联系方式

    请将对本书的意见和问题发给出版商：

    Make：

    1160 Battery Street East，Suite 125

    San Francisco，CA 94111

    877-306-6253(美国或者加拿大)

    707-639-1355(国际或者当地)

    我们为本书建立了一个网页，在那里列出勘误、示例和所有附加信息，你可以

    在http:bit.lygs_w_drones访问。

    评论或者询问关于本书的技术问题，请发送电子邮件给

    bookquestions@oreilly.com。

    第1章 引言

    1.1 定义除非你与世隔绝，否则就会在新闻上频繁地看到无人机(drone)这个词。许多

    关于无人机的新闻用这一术语描述许多种飞行器——从小型遥控玩具飞机、自主飞

    行的机器人，到全面武装的军用侦察无人机。这主要是因为不同的信息来源对无人

    机有不同的定义，那么如何为无人机的定义划定范围，或者说，是什么造就了无人

    机呢？让我们从一个基本定义开始。

    韦氏词典对无人机的定义是：由遥控装置或者机载计算机引导的无人驾驶飞行

    器或者船只。

    这个定义非常宽泛，以致当媒体报道特定类型的无人驾驶飞行器时，我们会看

    到以偏概全的现象和错误传达的信息。让我们来给出一个更具体的定义。Terry说

    过，他将GPS和自动驾驶仪的引入作为无线电控制(Radio-Controlled，RC)飞行

    器和无人机的界限。当某种飞行器有自动驾驶的能力，即使它所能做到的仅仅是保

    持稳定，在Terry的眼中它就是无人机。本书中，我们将使用如下的约定：

    无人机

    用GPS自助控制的无人驾驶航空器。

    遥控飞行器(Remotely Piloted Aircraft，RPA)

    由驾驶员在地面用无线电发射机或其他计算机设备控制的型号。

    UAV

    可以由驾驶员或计算机软件和GPS自主控制的飞行器。

    小型无人驾驶航空系统(sUAS)

    涉及无人驾驶航空技术的所有相关过程。

    不管你喜欢不喜欢，无人机这个词仍将持续使用。我们接受这个词，并将通过

    说明小型UAV技术的有益应用，帮助改变其负面意义。有鉴于此，我们必须加强自己

    的理解，引导媒体的“无人机癖”。在美国联邦航空管理局试图制定全面的小型UAV

    商业使用政策的同时，我们都必须尽量负责任和安全地追求飞行的快乐。1.2 目标读者

    本书是一本关于制作自主四轴直升机的指南(以及与之搭配的其他建议)。对

    机器人学和电子学概念的理解是开展空中机器人研究的优势所在，熟悉基本的工具

    和设备(如电烙铁)对于成功地设计自己的小型UAV也很有帮助。

    如果你在制作某种东西时喜欢坚韧不拔地反复尝试解决问题，那么就会喜欢上

    空中机器人。制作一个能够飞行的机器人，从全新的视角欣赏风景，是值得花费时

    间和精力的事业。

    1.3 无人机用户社区

    在你遇到问题时，知道如何求助于其他人是成功之道。与同样对空中机器人学

    感兴趣的人建立联系，是查明问题并找出解决方案的宝贵资源。在线论坛是了解其

    他人如何解决类似问题的极好途径。Terry最喜欢的一个网站是

    http:www.multirotorforums.com。该论坛上的人们慷慨地分享小型UAV制作

    和飞行的经验及见解。

    在你所在的地区，可能也有UAV爱好者组织或者航模俱乐部，它们都可能乐于在

    聚会中看到新鲜面孔。可以尝试在Meetup.com(http:www.meetup.com)上搜

    索无人机(又碰到这个词了)用户组。另一个值得一看的地方是美国航空模型学会

    (Academy of Model Aeronautics，AMA)，AMA(http:www.modelaircraft.org)是全球最大的航空模型学会，成立于

    1936年。我们在巴尔的摩和华盛顿地区有一个很出色的团体，为本地区的UAV技术

    共享做出了很大的贡献。我们真诚地感谢帮助我们继续这一梦想的每个人。

    >关于安全和负责任的飞行活动，AMA有一个很好的《最佳实践指南》PDF文

    件(http:www.modelaircraft.orgfilesreport_on_revised-550-560-oct-8-

    2012.pdf)。

    1.4 自主飞行简史

    我们认为对无人机技术做出最大贡献的发明包括无线电控制模型飞机、微芯片、GPS、互联网和智能手机。下面我们来了解一下。

    1.4.1 无线电控制模型飞机

    1937年，美国无线电转播联盟官员Ross Hull和Clinton DeSoto进行了遥控

    飞行的第一次公开演示。在1937年夏季和秋季，他们设计和制作了翼展为13英尺

    (1英尺约0.3米)的滑翔机，在康涅狄格州的哈特福特进行了100多次成功的遥控

    飞行。在这一时代，Hull在家用无线电装置的设计上处于领先地位。他通过缩短导

    线提高了发射机的效能，并率先提出了更加轻量级的单管模型飞机机载接收机。

    Walter Good与其孪生兄弟William Good在1940年和1947年的美国全国航空模型

    冠军赛中获得了第一名。他们标志性的无线电控制模型飞机——Guff现在归史密森

    尼国家航空航天博物馆(见图1-1)所有。

    图1-1 Good兄弟的无线电控制飞机——Guff

    1.4.2 微芯片的出现

    1958年夏季，德州仪器公司的新雇员、当时的年轻发明家Jack Kilby推出了集

    成电路，这是电子行业的一大革新。这种微芯片的先驱在一块大小为716英寸×116英寸(约1.1厘米×0.16厘米，1英寸约2.54厘米)的薄锗片上集成了一个晶

    体管和其他元件。Kilby深知，许多电子元件(如无源电阻和电容)都可以采用和主

    动式晶体管相同的材料制造，因而可以制造出组成完整电路的结构。

    如果没有Kilby的小型芯片，我们现在使用的许多电子器件都不可能出现。它将

    像一个房间那么大的计算机变成了今天销售的微型电脑。

    1.4.3 无人机技术

    在某一时刻，航空模型将达到硬件设计、无线信号和无线电脉冲所能达到的最

    大高度。为了超出这一限制，必须采用无形的技术，实现智能通信和控制。

    1.4.4 GPS的发端

    GPS官网(http:www.gps.gov)这样描述GPS：

    全球定位系统(GPS)是美国拥有的公共设施，为用户提供定位、导航和授时

    (PNT)服务。这一系统由3个部分组成：太空部分、控制部分和用户部分。美国空

    军开发、恢复和运营太空及控制部分。

    GPS系统的36颗卫星不断地向地面用户传播时码和地理数据。所有装有GPS接收

    器的设备都可以使用来自任何4颗卫星的数据计算与这些卫星的相对位置。与GPS卫

    星之间保持清晰的直达线路是关键，精度也因连接到的卫星数增多(至少4颗)而增

    加。由于直达线路的要求，有时候可能难以在室内接收到可靠的GPS信号。我们将在

    第5章讨论这对室内无人机飞行的影响。

    >GPS的更多信息

    更多细节可以参考GPS.gov的如下页面：

    ·“How GPS Works”(http:www.gps.govmultimediaposter)

    ·“GPS Applications”(http:www.gps.govapplications)

    1.4.5 互联网如果没有互联网，个人和民用无人机就不会有现在的发展。在线商店、社会化

    媒体和论坛使人们可以立即共享，同全世界任何地方的人们一起学习。Terry在第一

    次制作八轴直升机时就观察其他人的设计并在网上提问。UAV越智能，互联网在未来

    的无人机应用中就越重要。

    1.4.6 智能手机

    随着计算机处理器和传感器尺寸的大幅度缩小，在模型飞机中使用智能手机也

    只是时间的问题。当你旋转智能手机时，界面的方向将随之改变；同样的传感器也

    可以用于控制小型无人机。作为移动软件工程师，Terry熟悉移动应用和智能手机操

    作系统功能的开发。目前，他致力于无人机地图测绘领域的一些应用程序。

    1.4.7 小型自动驾驶飞行控制器

    GPS、互联网和智能手机，所有这一切造就了无人机的大脑——飞行控制器。

    民用自动驾驶仪在2000年前后开始出现在爱好者制作的多轴直升机上。早期具有

    GPS功能的飞行控制器单元是由德国的MikroKopter公司制造的，后来多家中国公司

    仿制了这一装置。大约同一时期，MultiWii(http:www.multiwii.com)、Ardupilot(http:ardupilot.com)和Open

    Pilot(https:www.openpilot.org)等开源项目启动。MultiWii的名字来自

    于这样一个有趣的事实：第一批装置是使用任天堂Wii控制器上的传感器制作的。你

    可能猜得到，Ardupilot这个名字是因为它最初基于Arduino。

    今天，小型自动驾驶仪已经有了很大的发展，许多型号添加了自主飞行、自动

    返航和自动跟随等先进功能。许多此类功能在几年前还只能在顶级模型中找到，由

    此可以看到，技术的发展有多么快。

    飞行控制所需的小型自动驾驶仪传感器

    下列传感器虽然不是全新的概念，但是最终都变得足够小巧和轻便，可以在UAV

    自动驾驶仪上使用：

    磁力计数字式罗盘

    陀螺仪

    计量旋转速度

    加速计

    计量重力

    压力传感器

    通过计量空气压力计算海拔。将上述传感器组合起来，可以制作一个惯性测量

    单元(Inertial Measurement Unit，IMU)

    1.5 飞行原理

    航空动力学由一些简单的规则和复杂的相互作用组成。为了很好地理解它们，花一些时间温习牛顿定理是没有坏处的。当我们谈到“力”的时候，指的是简单的

    推力或者拉力。如果作用于一个物体上的力是平衡的——一个方向的推力遇到反方

    向的相同推力——物体就处于静止。如果力不平衡，物体就沿着更强的力的方向加

    速。

    1.5.1 重力

    重量是重力在物体上的作用。这一力学原理有时也被称作万有引力。物体飞行

    甚至悬浮，都必须持续地平衡或者克服重力(我们很快将看到如何做到这一点)。

    重力是无情的——即使只是暂时失去反方向的力量，都可能使飞行器坠地。本书自

    始至终都要考虑一个关于重力的注意事项：尽管飞行器的重分布在整个机体上，但

    是飞行器中的某一点——称为重心——对其飞行能力的影响最大。

    1.5.2 升力

    升力是重力的对立面，是保持飞行器位于空中的气动力(见图1-2)。在装有机

    翼的飞行器上，升力来自于翼型或螺旋桨的空气流动。机翼上方的气流速度较快，因此它的压力较小。机翼下方气流速度较慢，因此空气压力较大。由于机翼上方的

    气压较小，飞机或者直升机被“吸入”空中。悬浮或者水平飞行时，升力必须等于

    重力；如果要爬升，升力必须大于重力。

    图1-2 机翼在空中向前移动时产生升力

    1.5.3 空气阻力

    你是否曾经在晴天时，将手伸出汽车(行驶中)窗外？你所感受到的向后的推

    力就是空气阻力。在大气中以任何速度移动的物体都会遇到一定的空气阻力，这种

    阻力随着物体的运动速度增大而增大。空气阻力是飞机、火车和赛车具有光滑线条

    的原因——这种流线型使车辆周围的空气更顺畅地流动，降低阻力，提高车辆的效

    能。空气阻力也是喷气式飞机在起飞之后立即收起起落架的原因，对于四轴直升机

    (无人机)来说，这是一个强大的力量。

    1.5.4 推力

    飞行中的推力是使飞行器在空中移动的机械力。飞行器的运动是发动机、螺旋

    桨、火箭、肌肉(鸟类飞行的时候)或使用任何推进系统造成的。如果推力大于阻

    力，飞机将加速前进。推力必须等于重力并克服阻力。图1-3说明了飞行的四个原理

    (或者力)。图1-3 飞行原理(力)说明

    1.6 飞行机动：用操纵杆控制飞行器的运动

    大部分UAV都用标准的(最少)六通道遥控器控制，这和多年以来模型飞机使用

    的控制器一样。这种遥控器有两根主操纵杆，可以前后左右移动。根据型号的不

    同，你还会看到一些开关、旋钮和滑块的组合。每种输入机制都占据无线电设备的

    一个通道。

    这两根主操纵杆是最重要的控制器，共占据四个通道，每根操纵杆的一个移动

    轴占据一个通道。除了主操纵杆，我们总是需要至少一个通道控制飞行器的飞行模

    式设置。另一个常常需要的通道用于自动返航(Return to Home，RTH)功能。这

    两个通道往往分配给一个开关控制。我们将在本书后面更详细地讨论RTH和飞行模

    型；现在，我们更深入地观察两个主操纵杆控制的通道(见图1-4和图1-5)。

    >这里的控制器说明针对于美国使用的模式2无线电台。其他国家可能使用模

    式1电台，这种电台中每根操纵杆控制的动作相反。许多现代无线电台可以使用任何

    一种模式，但有些电台只能在工厂制造时配置为一种模式。图1-4 模式2的RC发射机左右操纵杆命令图1-5 操纵杆命令如何移动飞行器

    1.6.1 油门左侧操纵杆的前后移动控制飞行器的油门。顾名思义，油门本质上就是飞行器

    的加速踏板。在大部分情况下，油门值越高，电动机的转速越快。当然，也有例外

    的情况，我们将在后续章节中讨论。为了让飞行器在地面上空盘旋，油门必须产生

    足够的升力，以抵消重力的作用。在向前飞行时，油门必须克服空气阻力和重力。

    1.6.2 偏航

    左侧操纵杆的左右移动是用于偏航的通道，这也被称作方向舵。偏航控制直升

    机或者多轴飞行器沿水平轴的旋转。如果你放飞的是一架固定翼飞机，那么这个通

    道将被称作方向舵，因为它对艉襟翼的控制使用的是同一个名称。在向前飞行时，偏航和方向舵对飞行器的影响是相同的：使飞行器转向所需的方向。

    多轴直升机的运动部件只有螺旋桨，它们是如何模拟飞机需要襟翼和方向舵才

    能完成的飞行动作呢？这完全依靠一个称作矢量推力的过程。下一章将更多地介绍

    这一过程，其基本思路就是单独地控制每个螺旋桨的速度，实现任何方向的移动。

    例如，你可以增加两个顺时针方向的螺旋桨速度、降低逆时针方向的螺旋桨速度，实现顺时针偏航。

    1.6.3 俯仰

    右侧操纵杆的前后移动是用于俯仰的通道，这也被称作升降。这一动作向上和

    向下倾斜机头。将右侧操纵杆前推时，机头将向下倾斜，反之亦然。在固定翼飞机

    上，这通过将水平襟翼向同一方向倾斜实现。四轴直升机可以同偏航时一样，利用

    矢量推力实现相同的动作。大部分自动驾驶仪具有自动水平模式，限制了飞行器的

    俯仰角度。其他模式可能不产生这种限制，允许飞行器无限度地俯仰。在适当的条

    件下，甚至可能一直倾斜至向前翻滚，但是在尝试这种动作之前最好做一些练习!

    1.6.4 翻滚

    右侧操纵杆的左右移动是用于翻滚的通道，也称为副翼。翻滚动作使飞行器相

    对正面向左侧或者右侧倾斜。对于固定翼飞机，通过向相反方向倾斜两个水平襟翼

    (称为副翼)实现翻滚。在多轴飞行器上，所有翻滚动作也通过矢量推力实现。这

    种姿态的变化导致飞行器向倾斜的方向飞行。和俯仰一样，在自动水平模式下最大的翻滚角度会受到限制，在手动模式下则不受限制。在正确的自动驾驶仪设置下，经过少量练习，小型飞行器就可以像固定翼飞机一样完成桶滚动作。

    熟能生巧：使用飞行模拟器

    必须尽快在电脑上使用飞行模拟软件(http:getting-

    startedwithdrones.comsimulators)练习操纵杆控制。我们建议你通过研究，找

    到自己觉得顺手的软件。我们在自己的四轴飞行器制作者训练营中使用Phoenix

    Professional Flight Simulator。这个软件光盘搭配一个真正的遥控器，可以用

    USB电缆连接到计算机。你还可以下载多种移动应用，包括几个免费的应用软件。我

    们目前使用的另一个模拟器是Heli-X。我们很喜欢这个软件，因为它可以在Mac上工

    作。

    对于新手来说，模拟器是很有价值的工具，可以在不损坏昂贵装备的情况下得

    到经验和信心。较有经验的操作者也可以用它磨炼自己的技巧。不管室外天气如何

    都能练习飞行是一件很棒的事情。早期，Terry曾经花费了一整个冬天，用模拟器软

    件学习飞行技巧。如果你在飞行中遇到困难，对操纵杆控制的强大肌肉记忆将改变

    一切。

    第2章 机身

    2.1 什么是机身

    机身是飞行器的主体。其他组件——螺旋桨、电池、计算机等——均安装在机

    身上。机身的大小和复杂度多种多样。在我们刚刚对飞行产生兴趣时，制作的一些

    机身都非常简单，设计图是在餐巾纸的背面上画成的，用线锯在纸板上裁切而成。

    今天，我们使用计算机辅助设计(CAD)软件设计框图，然后用计算机数控(CNC)

    机床加工。我们将在本章介绍许多流行的设计类型，但是首先简单地研究一下，它

    们是如何飞起来的。

    2.1.1 推力矢量在所有的机身上你都能看到一个共同的特质——它们都兼具顺时针和逆时针的

    螺旋桨。这是多轴飞行器向各个方向移动的基础。每个电动机的旋转方向都与直接

    相邻的电动机相反，使每个电动机都与相对的电动机保持平衡。因此，几乎所有UAV

    的螺旋桨的数目都为偶数(下一节我们将讨论一个例外)。例如，在四轴直升机

    上，西北和东南方向的电动机顺时针转动，东北和西南方向的电动机则逆时针转动

    (按照指南针的方向)。飞行器这样配置之后，我们要将四轴直升机向任何方向移

    动(包括偏航)，所要做的就是改变电动机某个组合的速度。例如，要顺时针偏

    航，我们就增大西北和东南方向电动机的转速。一个电动机“推”，另一个电动

    机“拉”，就可以使飞行器向我们需要的方向转弯。

    为什么是相反的方向？

    你可能已经注意到，我们的螺旋桨与其相邻的螺旋桨旋转方向相反。这样做的

    理由很充分。这一过程为飞行器提供了抵消平衡。如果你使用全部向一个方向旋转

    的螺旋桨，飞行器将自然地向那个方向旋转，飞行控制器就必须不断地与这种趋势

    做斗争。

    考虑上述现象的另一种方法是研究全尺寸的直升机。在直升机上方旋转的主旋

    翼显然只在一个方向上旋转。尾旋翼提供了平衡的力量，保证直升机直线前进。如

    果去掉了这一个平衡装置，直升机仍然会飞行，但是将在空中不断地围绕旋翼的轴

    旋转。

    2.1.2 飞行器设计

    图2-1展示了我们将在下面几个小节研究的机身类型。注意每个螺旋桨与其相邻

    螺旋桨的旋转方向。

    三轴直升机

    三轴直升机是常见多轴直升机中唯一没有采用偶数个螺旋桨的设计。它将3个电

    动机螺旋桨组合中的一个(通常是后面的一个)放在一根轴上，以提供成一定角度

    的推力，从而实现偏航。三轴直升机一共有3个螺旋桨。图2-1 螺旋桨旋转方向的机身类型

    四轴直升机

    四轴直升机可能是当今最流行的设计，以数量最少的必要组件提供最简单的机

    械设计，它共有4个螺旋桨。

    六轴直升机

    六轴直升机是另一种非常流行的设计，这是因为它具备较强的负载携带能力，同时仍然保持一定的敏捷性。它配备6个螺旋桨，你可能听说有人将这种设计称

    作“平六”。

    八轴直升机

    八轴直升机的设计常常用于需要增加载荷且需要冗余度的飞行器。因为一共配

    备了8个螺旋桨，所以八轴直升机在任何一个电动机或螺旋桨出现故障时仍能飞行。

    剩下的7个推进装置将保持飞行器的飞行，不会造成事故。你可能听说有人将这种设

    计称作“平八”。Y6

    Y6是我们的第一种“共轴”飞行器，在机身的3根“臂”上安装了6个电动机和

    螺旋桨。这是通过对每根臂上下堆叠旋转方向相反的一对电动机和螺旋桨实现的。

    你可能在常见的成品无线遥控直升机上看到过共轴设计。这种设计类型本身更为稳

    定，但是效率比传统的“平面”设计要低20%～25%。

    X8

    另一种流行的共轴设计是X8。这种机身本身看上去几乎和四轴直升机一模一

    样，主要差别是X8的每根臂上有2对电动机和螺旋桨，全机共有8个。

    2.1.3 材料

    现代无人机使用许多不同类型的材料制作。较为流行的选择包括碳纤维、玻璃

    纤维和各种塑料或金属。和这项爱好的大部分工作一样，你总是要根据自己认为重

    要的特性进行权衡。就像这个行当的一句老话所言：“便宜、强壮或者轻巧：你只

    能得到其中的两样。”尽管碳纤维等材料有很高的强度(重量比)，但是可能非常

    昂贵。因此，许多人在设计时首先从木材，甚至从3D打印的丙烯腈–丁二烯–苯乙烯

    (ABS)塑料入手。我们在本书中将要制作的机身称为Little Dipper(小熊座)，主要由G-10玻璃纤维制成(见图2-2)。我们认为这种材料很好地平衡了重量、强

    度和成本。

    2.1.4 保持平衡

    不管你打算制作哪一种类型的机身，保持前后和两侧的重量平衡都是非常重要

    的。如果你从头开始进行设计，保持机身的对称是确保完成制作之后容易平衡的好

    方法。如果你不得不采用不那么对称的设计，可以尝试在机身上摆放零件，最终使

    其保持平衡。无人机的电池往往是重新摆放以保持平衡的理想候选。图2-2 正在CNC机器上切割的G-10玻璃纤维机身

    2.2 制作“小熊座”机身

    “小熊座”是紧凑的可折叠四轴直升机。它的机身由两个子框架组成，以便隔

    离电动机振动对飞行和图像传感器的影响。这两个子框架分别称作“干净”框架

    和“脏”框架。“脏”框架是下方的子框架，容纳所有运动部件，如电动机和螺旋

    桨。“干净”框架处于上方，容纳所有飞行和通信电子装置。

    将机身零件平铺，参考图2-3中的照片以识别它们。将它们分成两个子框架的制

    作部分。零件A和B组成“脏”框架(A在下，B在上)，而C是容纳电动机和螺旋桨的

    4根连杆。零件D、E和F组成“干净”框架：D是干净框架的底板；E是干净框架的顶

    板；F是摄像机板，装在橡胶隔振球之上(很快将会详细介绍)。图2-3 你的机身套件中应该包含这些零件

    什么是“干净”

    用“干净”和“脏”这两个词来描述机身听起来很奇怪。我们的意思并不是靠

    近地面的机身零件最有可能弄脏，而是指振动。和这些子框架有关的理论很简单：

    制作一个子框架来容纳所有运动部件——会造成振动的部件，另一个子框架则容纳

    其他所有零件。通过尽可能减少两个子框架之间的接触，将二者隔离。对于“小熊

    座”，我们附带了四个小的铝制压铆螺母柱，将两个子框架装配在一起。你也可以

    用橡胶的压铆螺母柱代替铝制版本，进一步隔离两个子框架。在我们的测试中发

    现，两者的性能相差无几。因此，我们认为铝制压铆螺母柱更耐久，这使我们最终

    将它们包含在机身套件中。

    机身的其他选择

    我们的例子用“小熊座”机身制作，但是表2-1还提供了几种备选的机身。表2-1 “小熊座”的替代机身

    QAV 250(见图2-4)是当今市场上最受欢迎的机身之一。它采用简单的双板设

    计，因此极其轻巧，在四轴直升机竞赛中非常有效。

    图2-4 配备5×3碳纤维螺旋桨的QAV 2502.3 制作步骤

    下面是你开始制作时需要的工具(见图2-5)：

    ·公制通用扳手(2.5mm)。有一整套是最好的，但是我们在这一制作过程中将

    使用2.5mm扳手。

    ·活动扳手，尖嘴钳或者732螺母起子。上述任何一种都可以，但是如果使用

    螺母起子，一定要使用足以适应机身周围狭小空间的型号。全棘轮套筒无法使用，因为它太大了。尖嘴钳可能会在五金件上留下划痕，所以只能作为最后的手段。

    图2-5 制作机身所需的工具2.3.1 第1步：安装压铆螺母柱

    首先从机身的底部(脏框架)开始——固定短的铝制压铆螺母柱(见图2-

    6)。找到脏框架顶板(图2-3中的B)。板子的每个角上各有一个3mm的小孔(见图

    2-7)。用5mm的螺丝(套件中包含的黑色短螺丝)，在这些孔上固定压铆螺母柱。

    用手将螺丝穿过小孔，然后在板的另一侧固定压铆螺母柱。螺丝不应该从压铆

    螺母柱的另一侧穿出(如果那样，使用的就是错误的螺丝)。4个压铆螺母柱都固定

    好之后，B板看上去应该向一个翻过来的桌子，桌腿伸向空中，如图2-8所示。

    图2-6 压铆螺母柱——铝制的刚性更好、寿命更长，橡胶对振动的隔离更好——用于分隔两个子框架图2-7 指出脏框架B板上的压铆螺母柱安装孔图2-8 B板上的4个铝制压铆螺母柱都已装好

    我面向的是哪个方向？

    在图2-8中，B板的方向与相机的方向相反，正面朝上。也就是说，无人机和这

    块板子的前方在图2-8顶部一端。有两个清晰的指示可以告诉我们这一点：首先，短

    的压铆螺母柱向上；其次，拱形的连杆安装孔(很快将详细介绍)转向飞行器的背

    面。你也可以从较长(或者较宽，根据你的观察方式而定)的连杆安装孔辨别出机

    身的前方。在制作时要记住这些指示。

    >DroneKraft Mach300

    如果制作的是Mach300机身，套件中将有和图2-6非常相似的橡胶压铆螺母柱，这能够为飞行控制器提供很好的减震。

    2.3.2 第2步：组装脏框架

    将4根连杆(图2-3中的C板)和脏框架底板(A板)及顶板固定在一起，便完成了机身的下半部分(脏框架)。完成后的脏框架如图2-9所示。

    图2-9 脏框架由A、B和C板组装而成

    最好是一次安装一根连杆。首先将A板和B板叠在一起，B板的压铆螺母柱向上。

    确保两块板面向同一方向。你可以通过定位连杆孔(见图2-10)检查，确保两块板

    上的半月形小孔对齐。如果没有对齐，轻轻移动其中一块板子(从前到后)，直到

    小孔对齐。

    为什么这些小孔是拱形的？

    你可能已经注意到，图2-10中所示的连杆安装孔由一个常规的3mm圆孔和一个拱

    形槽组成。这种设计的原因很简单。这一组合使连杆可以向后折叠，设计更为紧

    凑，并且可以在坠机事故中缓和冲击力。如果在任何一种向前的动作中坠毁，折叠

    臂将会歪斜，而固定臂更容易折断。A板和B板上的连杆孔很容易识别。前后安装孔都有一个3mm的圆孔，位置就在

    3mm拱形槽的正上方，使框架可以折叠。

    图2-10 后连杆安装孔(注意折叠槽正上方的锚定孔)

    我们继续在脏框架顶部和底板(A板和B板)之间加入连杆(图2-3中的C板)，如图2-11所示。>直立向上

    在设计中加入压铆螺母柱是为了在干净框架和脏框架之间隔离振动，所以它们

    应该在脏框架顶板(B板)的顶部。

    图2-11 将连杆对齐，准备加入到脏框架顶板和底板之间

    现在，拿起第一根连杆，将矩形端的两个3mm小孔与连杆安装孔对齐。在12mm安装螺丝(套件中包含的长螺丝)的上面放上一个平顶黑皮垫圈。现在，手工将这

    个螺丝和垫圈穿过顶板中的一个连杆安装孔，然后穿过连杆，最后穿过底板。我们

    建议从3mm的拱形孔开始。一旦螺丝穿过这三块板子，在另一端放上一个平顶黑皮垫

    圈，最后在底部放上一个3mm防松螺母。在连杆的第二个小孔上重复这一步骤(见图

    2-12和图2-13)。安装一根连杆之后，对其余连杆重复全部步骤。

    不要将螺母锁得太紧

    你可能很容易将连杆安装螺丝上的螺母锁得过紧。这不会造成任何破坏，但是

    将阻止连杆折叠。应该将它们锁紧至正好足以牢固地固定连杆，但是又不能过紧而

    使其完全无法折叠。在进行这一步时试着折叠连杆。我们使用的螺母称为防松螺

    母，在螺纹的最后有一层尼龙，即使不过分锁紧也能将其固定在合适的位置。在飞

    行器的定期检查中，你仍然应该考虑检查安装螺丝和螺母的松紧度。

    >Blackout Mini Spider Hex

    如果你制作的是Blackout Spider Hex机身，连杆将以非常类似的方式安装在底

    板上。你将看到的主要差别是，使用四个螺丝而不是两个，而且连杆也不会折叠到

    机身内。图2-12 将第二个螺丝推入安装孔图2-13 在框架底部放上螺母

    2.3.3 第3步：组装干净框架

    接下来，我们将制作干净框架。这个框架由图2-3中的D、E和F板(我们将在本

    书后面加入)组成。我们还将使用套件中包含的8个37mm压铆螺母柱。总体的思路

    是，使用D板和E板分别作为框架的顶板和底板，用压铆螺母柱将它们固定在一起。

    我们首先找到D板。你会注意到，在板边缘周围有8个3mm直径的小孔，是我们的

    压铆螺母柱安装孔。取一个黑色的5mm螺丝(套件中包含的短螺丝)并手工将其穿过

    其中一个小孔(见图2-14)。选择哪一个孔并不重要，因为我们将对所有安装孔重

    复相同的动作。这些螺丝不需要垫圈。

    接下来，取一个37mm压铆螺母柱，将其旋进螺丝在D板另一侧突出的部分(见图

    2-15和图2-16)。用手旋紧之后，可以用扳手、活动扳手或者钳子进一步旋紧。图2-14 将5mm螺丝穿过D板上的压铆螺母柱安装孔图2-15 将第一个37mm压铆螺母柱旋到安装螺丝背面

    图2-16 我们的第一个压铆螺母柱已经安装好(其余的也已准备就绪)现在，我们可以对其余37mm压铆螺母柱重复这些步骤(见图2-17)。全部完成

    之后，D板应该如图2-18所示。

    图2-17 旋紧D板上的最后一个37mm压铆螺母柱图2-18 D板上的所有37mm压铆螺母柱已经安装好，为E板的安装做好了准备

    现在我们已经在D板上安装了37mm压铆螺母柱，为固定E板做好了准备。如果还

    没完成这一步，找到这块板，仔细观察。你将注意到两个重要的情况。首先，板的

    边缘(和D板一样)周围有8个完全相同的安装孔；其次，靠近板的一端有两个长槽

    (和D板一样)。将E板放在组装好的两块板上面，确保两个长槽与底板的两个长槽

    对齐，应该类似于图2-19所示的情况。

    图2-19 在加入安装螺丝之前，将E板放在组装好的板上方

    你可能已经猜到，我们需要将更多5mm安装螺丝穿过E板的小孔进入压铆螺母柱(见图2-20)。首先，手工将螺丝放入安装孔；然后，用2.5mm扳手旋紧(见图2-

    21)。

    图2-20 将第一个安装螺丝穿过E板进入37mm压铆螺母柱图2-21 旋上所有螺丝之后，确保它们都整齐且上紧

    >Lumenier QAV250

    如果你使用QAV 250机身，就会注意到整个机身的安装方式类似于我们的干净框

    架。主要差别是，QAV的连杆固定在连杆板上，只使用6个压铆螺母柱分隔两个框

    架。这将使机身更轻，适合于竞速类应用。

    干得漂亮!你已经做好了两个子框架的基础部分，如果一切按照计划进行，它

    的外形应该如图2-22所示。现在它终于开始有点像四轴直升机的样子了，你说呢？

    >从技术上说，我们此时必须停止机身的制作。在两个子框架上都需要安装

    一些电子装置(下一章中将做介绍)，这在两个框架还未连接在一起时要容易得

    多。尽管如此，我们现在将展示制作机身的最后步骤(这实际上很简单)，在后面

    的章节中进行准备时，你可以参考本章中的说明。图2-22 我们的两个子框架都已经组装好，为装载飞行组件做好了准备

    2.3.4 第4步：连接两个子框架

    再次重申：机身制作的最后一步不应该在第2章结束之前进行。我们必须在两个

    子框架上安装电子装置，这一步应该保留到第4章结束时进行。因为这一步很简单，为了连续性，我们将在此展示，你可以回顾本章或者凭借记忆进行(这样做的可能

    性更大)。

    首先，将干净框架放在脏框架之上。将干净框架底部的四个小突起(中间有3mm

    的小孔)与脏框架顶部突出的四个短压铆螺母柱对齐。确保两个框架指向相同方

    向。这很容易确定：干净框架后部的两个压铆螺母柱安装螺丝之间有两个长槽，而

    脏框架的连杆折叠时指向框架后部。

    将两个框架叠起来之后，手工将最后一根5mm安装螺丝穿过干净框架突片上的小

    孔，然后用2.5mm扳手旋紧。对四个突片上的小孔重复这一过程。完成后的外观如图

    2-23所示。图2-23 用螺丝穿过安装突片(在干净框架上)

    完事大吉——你已经将两个子框架连接起来，这很容易，不是吗？

    摄像头板该怎么处理？

    如果你认真阅读本章(我们在开谁的玩笑，当然是你了!)，就会注意到我们

    还没有用到另外一块板：F板，也称作摄像机板。这将在本书稍后和隔振球一起安

    装。摄像机将在第8章中讨论，我们觉得那是详细解释摄像机板的作用和安装方法的最好场合。

    >观看制作视频

    你可以访问本书搭配的网站(http:gettingstartedwithdro-

    nes.comlittle-dipper-build)，找到一个详细的视频，展示上述所有步骤和其

    他读者的成果。

    第3章 传动系统

    传动系统是产生动力并以某种方式传递动力以产生移动的一套组件。在汽车

    中，发动机产生动力并传递给变速器，后者通过车轴系统传递动力，最后传递到车

    轮上使汽车移动。我们的四轴直升机也有一个传动系统，帮助我们运转。现在就让

    我们来看一看这些组件。

    3.1 螺旋桨

    最好的起点就是终点——螺旋桨。螺旋桨通常被比作汽车传动系统中的轮胎；

    正如轮胎“抓住路面”使汽车移动，螺旋桨“抓住”空气，移动无人机。与汽车的

    轮胎类似，螺旋桨有各种不同的形状和大小，应该根据传动系统中驱动它们的其余

    部分来选择。选择螺旋桨时你应该注意的规格有3种：方向、尺寸和螺距。

    3.1.1 方向

    仔细观察套件中的螺旋桨。注意螺旋桨有两种不同的外形，螺距角相反。这也

    意味着这些螺旋桨的旋转方向相反。每种类型的螺旋桨都有正式的名称，分别是推

    进式螺旋桨或者牵引式螺旋桨。推进螺旋桨有时称作左手侧螺旋桨，在逆时针旋转

    时产生升力。牵引螺旋桨有时称作右手侧螺旋桨，在顺时针旋转时产生升力。两种

    螺旋桨一起工作，保持飞机的平衡和水平。本书后面将更详细地讨论它们的工作原

    理。

    推进式螺旋桨推进式螺旋桨的得名是因为它们原来是为采用后置电动机的飞机设计的(如莱

    特兄弟的第一架飞机)，这种螺旋桨从后面推动飞机，而不是从前方拖曳，与快艇

    中的推进方式非常类似。

    3.1.2 尺寸和螺距

    螺旋桨的中央有一根直接安装在电动机上的桨毂，从桨毂上延伸出两个(有时

    更多)叶片。螺旋桨的尺寸定义很简单：在两个叶片的螺旋桨上，尺寸以叶片两端

    之间的距离(英寸为单位)计量。对于“小熊座”机身，5～6英寸的螺旋桨很理

    想，但是有些无人机可以使用29英寸(甚至更大)的螺旋桨!

    螺距的解释稍微复杂一些。大部分人错误地认为这是螺旋桨与平面之间的角

    度。实际上，螺距是螺旋桨在经过固体物质时，一次旋转向前移动的距离。想一想

    木螺丝上的螺纹，比起粗糙的螺纹，较细的螺纹在一次旋转中移动的距离更短一

    些。螺旋桨的工作方式与此完全相同。飞机前部或者快艇尾部(在理论上)螺旋桨

    的螺距越大，一次旋转中前进的距离就越大。和粗螺纹一样，螺距越大的螺旋桨越

    难以转动。

    详细讨论上述概念超出了本书的范围，但是我们要说明，在现实生活中很少用

    到螺旋桨的螺距(见图3-1)。螺旋桨的滑距总是造成机体应该移动的距离和实际移

    动的距离之间的差异。如果对此感兴趣，这一主题在许多相关网站上有丰富的知

    识。图3-1 滑距是几何螺距和有效螺距之间的差值

    螺距越大，每次旋转时经过螺旋桨的空气越多。通气量的增加造成更高的推力

    水平。如果你的飞行器需要更多推力，这是很好的，但是要注意，这会造成效率下

    降，因为飞行器的电动机需要更多能量(电池电量)才能转动高螺距的螺旋桨。选

    择高螺距的螺旋桨可能会减少总体飞行时间，这是获得更多升力的代价。

    螺旋桨有各种尺寸和螺距的组合，每种组合都各有利弊。有些组合效率较高，其他则产生更多的升力。通常，螺距越大(或者螺旋桨越大)产生的升力就越大。

    如果你的飞行器很重，或者需要高速飞行，那么高螺距或者大尺寸的螺旋桨比较理

    想。但是，如果需要在轻载条件下飞行更长的时间，则低螺距的型号最为合适。增

    大升力是有代价的，那就是牺牲螺旋桨的效率。

    尺寸和螺距规格通常印在螺旋桨靠近桨毂的一侧(见图3-2)，如0845P或者

    08X4.5P。前两个数字表示尺寸——8英寸，然后是螺距角4.5°。P表示推进式螺旋

    桨。有些公司将推进式螺旋桨称作左手侧螺旋桨，名称可能标记为L或者R而不是P。

    牵引式螺旋桨的末尾没有用字母代替，它们简单地命名为0845。

    图3-2 两个推进式螺旋桨和两个牵引式螺旋桨效率与最大推力

    我们在“小熊座”上将使用6英寸×3英寸的螺旋桨。这种螺旋桨的好处是其较

    大的6英寸设计可以提供更多的动力，而3°的螺距角则有较高的效率。如果你试图

    得到更快的速度，可以尝试较大的螺距，如6英寸×4.5英寸。记住：螺距角越大，通过螺旋桨的空气越多，代价就是需要耗费更多的电池电量。

    3.1.3 平衡

    我们在此又将轮胎和螺旋桨相提并论。正如轮胎需要平衡才能在高速下顺畅地

    滚动，螺旋桨也是如此。这是一个精密的过程，任何爱好者都必须掌握。当你平衡

    螺旋桨时，一定要确保螺旋桨的每个叶片拥有相同的重量，这样在高速旋转时才能

    减少振动。

    平衡处理很简单：将需要平衡的螺旋桨安装在一根自由旋转的轴上。自由转轴

    可以通过许多不同的方法实现。用一根金属杆穿过螺旋桨安装孔的中央，并将其悬

    挂在两个磁体之间，使其可以从几乎没有摩擦力的转轴上旋转。摩擦力的缺失使螺

    旋桨上的任何重点都在重力作用下轻柔地向地面旋转。

    螺旋桨是完全静止的，还是向某个方向“倾斜”？使用这一技术可以确定螺旋

    桨中的重点，人们可以为轻的一侧配重或者从重的一侧减重。记住，这些调整通常

    很小。增加重量可能只是采用小的透明胶或者贴纸，而减重通常用砂纸耐心打磨实

    现。完全平衡时，螺旋桨应该在移动到任何位置时都可以保持所有叶片均不倾向于

    地面。

    如果构建一个螺旋桨平衡器的想法太过吓人，不要担心。多家公司都有各种形

    状和大小的平衡器产品。我们使用的型号如图3-3所示，只要你玩过遥控飞机，就一

    定见过。图3-3 完全平衡时，螺旋桨应该可以停在平衡器中的任何位置而不会向某个方向滑落

    现代的螺旋桨出厂时就几乎完全平衡，但是自己动手复检一下总是一个好主

    意。通常，螺旋桨的质量越好，出厂时越可能平衡。便宜的螺旋桨可能节约一些

    钱，但是你不得不花时间自己动手平衡。

    平衡视频

    仍然对如何平衡螺旋桨没有把握？那么，我们有一段视频

    (http:gettingstartedwithdrones.comprops)，可以说明如何一步一步地完

    成这项工作。

    3.2 电动机

    四轴直升机传动系统与汽车传动系统的主要差别之一是，我们使用了直接驱动

    系统而非变速器。在汽车中，主要的动力来源是与变速器连接的发动机，变速器将动力分布到需要的车轮上。在直接驱动系统中，每个车轮(或者螺旋桨)直接连接

    到动力源上。对于我们的四轴直升机，动力源是无刷电动机。

    3.2.1 尺寸

    大部分业余使用的现代无刷电动机有电动机外壳的宽度和高度标识(见图3-

    4)。2216电动机的宽度为22mm，高度为16mm。当然，并不是每家公司都采用相同

    的命名规则，所以在可能的情况下，参考规格表总是一个好主意。

    3.2.2 额定KV值

    你可能在无刷电动机侧面上看到的另一个规格指标是KV值。这个值告诉我们，为电动机供应1V电压时的转速(rmin)。这一指标是在电动机负载为0时测得的，所以实际的转速将随摩擦力和负载变化而变化。现在，可以将这一额定值看作电池

    电压与转速的比例。电池电压越高，电动机的转速越快，但是额定KV值仍然相同。

    图3-4 这些2204电动机的额定KV值为2300，可搭配5英寸或6英寸的螺旋桨转速的计算

    额定KV值为900的电动机使用12V电池时，在无负载状态下旋转速度为

    10800rmin(12×900)。同样的电动机使用更大的电池(16.8V)时旋转速度将为

    15120rmin。

    3.2.3 搭配合适的螺旋桨

    根据搭配的螺旋桨，每个电动机的性能水平都有所不同。近来，通常不需要猜

    测，因为大部分电动机制造商都会公布电动机的推荐螺旋桨规格。为了确定正确的

    螺旋桨规格，你应该了解无人机完成时的总重量。计划制作的无人机越重，就应该

    根据制造商的建议选择更大的螺旋桨。

    3.3 总升力

    在电动机和螺旋桨的组合中，你常常会听到总升力这个术语，它指的是实际应

    用中电动机螺旋桨组合产生的向上推力。这通常以表示油门加到最大时所产生升力

    的重量值标称(大部分制造商都会提供这一信息)。我们在“小熊座”上使用的

    2204电动机与6英寸×3英寸螺旋桨搭配可以产生539克的总升力。如果改变螺旋桨，升力值也将改变。显然，这一指标是对每种电动机和螺旋桨单独计量的。要计算整

    架直升机的升力，可以将你的结果乘以直升机的轴数(对于四轴直升机是4)。对

    于“小熊座”，结果是2156克(4×539克)的升力!

    计算负载能力

    负载能力是每位UAV设计者都必须定义的规格之一。这是飞行器总升力与起飞全

    重(All Up Weight，AUW)的差值。AUW是飞行器为飞行配套装备完毕之后的重量，包括电动机、电池组、计算机等设备的重量。现在，我们已经知道如何计算总升

    力，可以计量所有组件的重量，求出AUW，确定飞行器的负载能力。

    3.3.1 电子速度控制器

    电子速度控制器(Electronic Speed Controller，ESC)是用于独立控制四

    轴直升机上每个电动机速度与方向的小型电路。我们的飞行器上安装了4个ESC，每个都是专为无刷电动机而设计的。它们将来自主电池组的电力转换为电子信号序

    列，通过3条不同的电线发送给无刷电动机。信号序列控制速度、旋转甚至电动机的

    制动性能。每个电动机所需要的速度从飞行控制器传递给每个ESC。我们将在下一小

    节更详细地介绍。

    分类：电流与电压

    购买ESC时通常要查看两个主要的规格：电流和电压。ESC的额定电压值决定用

    于该ESC的电池大小(我们将在3.3.2节更深入地讨论电池)。现在，我们仅仅指

    出，将用于示例的是额定电压12.6V的三芯电池。你还记得讨论总升力时提到的电动

    机规格表吗？规格表中通常也包含以A为单位的电流量。这个信息用于确定对指定电

    动机和螺旋桨需要何种型号的ESC。

    SimonK固件

    用于业余无人机的ESC类型最初设计用于无线电遥控飞机。在升级性能的尝试

    中，RC爱好者西蒙·科比开发了一个业余级别ESC的开源固件，这个固件被恰当地称

    为SimonK固件。他的升级为电动机提供了更快的响应时间，大大改善了飞行器的稳

    定性。大部分主流ESC制造商现在都提供专为多轴飞行器调整的SimonK ESC(见图

    3-5)。

    图3-5 我们在示例中使用的ESC额定电流为12A，最大电压为16.8V(4S电池)

    3.3.2 飞行电池

    对当今民用无人机兴起最有帮助的重要技术之一就是锂聚合物(Li-Po)电池。

    和手机电池很相似，与老一代的镍铬(NiCD)和镍氢(NiMH)电池相比，锂聚合物

    电池有更大的容量–重量比。节约的重量是UAV升空的关键。容量和电压

    大部分现代锂聚合物电池都是根据容量和电压分类的。所有锂聚合物电池都是

    通过在主电池单元内部连接一组较小的电池芯达到最终电压的。每个电池芯的额定

    电压为3.7V(充满电为4.2V)。这意味着，在我们演示的产品中使用的3芯电池额

    定电压为11.1V(3×3.7V)，充满电后可以达到12.6V(3×4.2V)。

    容量的计量单位是安时(A·h)。这说明了在某一负载下电池能够供电的时长：

    10A·h电池可以为1A的设备供电10h。同样的电池在5A负载下只能供电大约2h。我们

    使用的所有电池都由一个额定的毫安时(mA·h)值确定容量(见图3-6)。额定容量

    为2200mA·h的电池容量大于1500mA·h的电池。理论上，这个电池的供电时间比

    1500mA·h的电池长30%以上，但是，在实际飞行中可能并非如此。2200mA·h电池的

    重量大于1500mA·h电池，这也就意味着四轴直升机升空需要花费更多的电量。本书

    自始至终都在讨论这一微妙的平衡。

    虽然锂聚合物电池激发了我们爱好，但是它们仍然有某些不足。在一些情况

    下，这种电池会变得不稳定，甚至可能起火!

    因此，在使用锂聚合物电池时应该始终保持谨慎。更换损坏的电池，绝不要使

    用有破损的电池；那样做是取祸之道!在充电时要使用防火袋。和平常一样将电池

    连接到充电器，然后将电池放入防火袋并尽可能地封上周围的开口。留意充电中的

    电池总是一个好主意。

    图3-6 2200mA·h3芯主电池

    保留少许电量经验法则是，绝不要将你的电池放电到低于每芯3.2V。那意味着对于每个3芯电

    池，放电到低于9.6V将造成损坏。我们发现，设置每芯3.5V或者3.4V的警戒线，可

    以让我们有足够的“燃油”(约20%)着陆，使电池处于好的状态。而且，要避免储

    存充满电的电池。大部分合格的充电器都有一个储存设置，可以用它来使电池达到

    每芯3.8V的水平。这能够大大地延长电池的寿命。

    3.4 制作步骤

    这部分的制作需要如下材料(见图3-7)：

    ·烙铁和焊锡

    ·Helping Hands或者其他夹具系统

    ·热风枪

    ·12对(公和母)2mm插塞接头

    ·几英寸长的18英寸热缩管

    ·剪钳或剥线钳

    ·通用扳手

    ·小的束线带

    ·双面胶带

    ·剪刀图3-7 本章需要的材料可真不少

    3.4.1 第1步：安装配电板

    我们需要做的第一件事是在脏框架上固定PDB的位置。在制作的时候，我们用敷

    铜的G-10制作PDB(见图3-8和图3-9)，但是市场上还有许多符合要求的廉价版

    本。这块PDB非常适合于装在我们的脏框架中央。首先，在PDB的背面粘上一小条双

    面胶(见图3-10)。图3-8 由敷铜G-10切割而成的DIY配电板图3-9 这是我们的PDB外观——我们在几个焊点涂上焊锡并加上液体胶带作为绝缘层图3-10 在PDB的背面粘上双面胶

    现在，将PDB按压到脏框架的中央位置，使电池接线、ESC和其他需要电源的元

    件都容易与其连接(见图3-11)。如果想要用螺丝加固，板子中央有一个3mm的小

    孔。我们发现，双面胶很好地固定了PDB，因此选择不使用螺丝。如果你真的要使用

    螺丝，可以尝试使用小的尼龙螺丝和螺母，这样可以节约重量，而且不会成为导体。

    图3-11 将PDB压紧到位

    3.4.2 第2步：焊接插塞接头

    这一步是可选的，但是可以使安装工作变得更加轻松。插塞接头使你可以将ESC

    和电动机连接起来或者断开，而不需要直接将它们焊接在一起。使用这种方法的好

    处包括容易维护、检修和升级。缺点则是可能因为接头脱离而出现故障。如果插塞

    接头损坏，可能导致四轴直升机坠毁(4个电动机中的一个停转，就像石头一样掉下

    来)。知道了这些利弊，你就可以理解为什么对这种连接方式众说纷纭了。我们将

    由你自己决定是否使用插塞接头，但是本书假定用户安装这种接头。如果决定不使

    用它们，我们建议直接焊接，并用热缩管密封。在加热烙铁之前，一定要确定连接

    正确!

    取出夹具并开启烙铁——开工了!和地球上几乎所有接头一样，插塞接头也由一对接头组成：一个母接头和一个

    公接头。我们将公接头安装在电动机上，母接头安装在ESC上。这被认为是最好的做

    法，因为ESC这一端可以提供电源，母接头在没有插入任何设备时可以提供屏蔽保

    护。

    从4个电动机中的一个开始，在3根电动机引出线上剥去大约18英寸的绝缘层。

    接下来，在烙铁上加少量焊锡，涂在电动机引出线的外部(见图3-12)。

    图3-12 剥去电动机引出线的绝缘层，上锡，准备焊上公接头

    第一次焊接？

    你正在阅读的是一本《Make》系列丛书，所以我们假定你过去已经用过电烙

    铁。可能只用过一次，也可能每天都使用，我们假定你对其工作原理有基本的了

    解。如果对这一概念完全陌生，或者希望复习一下，可以在

    http:gettingstartedwithdrones.comsoldering网页上查阅详细的焊接教程。

    接下来，我们将使用夹具，为电动机引出线添加公型插塞接头。将插塞接头夹

    在其中一个鳄鱼夹上，将点上焊锡的电动机引出线夹在另一个鳄鱼夹上。花时间确

    保将这两个零件放在舒服的位置上，以便可以轻松地操作电烙铁。一旦完成了需要

    的所有配置，将烙铁放在插塞接头外围，加热数秒之后，在接头内导线所在的位置

    上点一些焊锡。更多信息参见图3-13。图3-13 所有元件都已就位，我们已经做好焊接第一个接头的准备

    使用适量焊锡，不要让其溢出。一旦插塞接头的一端接近填满，移开烙铁和焊

    锡。让接头冷却片刻，然后从夹具上取下(见图3-14)。

    祝贺你!你已经完成了本制作项目中的第一次焊接!感觉好吗？希望如此，因

    为你还有很多事情要做。让我们继续吧!

    焊锡冷却之后，从夹具上移开电动机引出线和插塞接头，重复上述步骤，焊接

    其他两根电动机引出线和插塞接头。第一个电动机完成之后，对剩下的3个电动机重

    复这些步骤。完成时，4个电动机的全部引出线上应该焊上了12个公型插塞接头(每

    根引出线1个)。图3-14 我们的焊锡在夹具上冷却

    现在是时候为接头加上绝缘层了。这一步需要18英寸热缩管和热风枪(如果没

    有的话可以用吹风机)。切下3段0.5英寸的热缩管，宽松地套在新焊的插塞接头

    上。热缩管应该套在接头后面突起的部分，因为公型插头的前端将插到母型插座中

    (见图3-15)。如果我们的热缩管阻碍了连接，可能形成不可靠的插座。可以将公

    型插头和母型插座连接几次，记下连接位置。这将帮助你更好地理解热缩管应该放

    在连接件上的哪个位置(更重要的是，不应该放在哪个位置)。图3-15 热缩管就位，等待热风枪处理

    套上热缩管之后，准备好热风枪。我们将温和地为热缩管加热(见图3-16)。

    将接线排好，以便每次加热一根，特别是在你对这一过程还不熟悉的情况下。如果

    使用的吹风机或者热风枪的风量较大，一定要小心，不要让热风吹动了你精心定位

    的热缩管。对全部3根引出线应用这一过程，最终应该得到如图3-17所示的结果。热

    缩管的收缩只需要花费几秒钟。一旦它紧紧地套住接头和电线，就可以继续后面的

    步骤了。图3-16 使用热风枪，让绝缘用的热缩管收缩

    图3-17 成品我们正在开始获得真正的进展。此时，4个电动机的每条引出线都和插塞接头稳

    固地焊接在了一起，并且小心地用热缩管绝缘。现在，可以在ESC上的母型接头进行

    同样的操作了。根据你购买的ESC型号，有些可能已经焊好了插塞接头。如果已经有

    了接头，检查它们是否与你的公型电动机插头匹配。如果连接妥帖，可以跳过余下

    的步骤。

    和电动机一样，找到ESC引出的3条黑色导线(不是伺服系统的插头，而是原始

    的导线)，剥去0.125英寸长的绝缘层，准备焊接。焊接的步骤和电动机一样，唯一

    的不同之处是这次焊接的是母型接头(见图3-18)。如果你还没有在头脑中形成根

    深蒂固的印象，那么就反复重复前面的步骤。

    图3-18 焊接第一个母型插塞接头

    焊接所有接头，做好绝缘准备之后，请留意一下公型接头和母型接头需要绝缘

    部分的差别。公型接头用的是0.5英寸长的热缩管，母型接头则需要1英寸或者更长

    (见图3-19)。热缩管不应超出接头的尖端，另一端则延长到导线之上。记住，热缩管在收缩时会略微变形，所以在加热时它可能从接头的边缘后撤，我们通常将其

    放在略微超出接头一点的位置，以期在收缩之后与之对齐。如果尝试这种方法且热

    缩管收缩后超出边缘，可以用刀片小心地割掉阻碍稳固连接的部分(见图3-20)。

    图3-19 一定要为母型接头切割合适长度的热缩管图3-20 稍微加热之后，一切看上去都非常合适

    这时，我们已经为4个电动机焊上了公型插塞接头，为4个ESC焊上了母型插塞接

    头。如果还没有完成，可以试试将它们插在一起，看看是否匹配(见图3-21)。图3-21 成功：一切都恰到好处

    太奇妙了——你正在将传动系统安装到无人机上。此时，放下你正在做的事

    情，到厨房尝一尝最喜欢的点心吧，这是你应得的奖赏!

    3.4.3 第3步：安装速度控制器

    电子速度控制器通常有两种安装方式：在框架上安装，或者在靠近螺旋桨的连

    杆上安装，以便从螺旋桨的向下气流中得到更多的散热。因为我们的连杆在这个机

    身上是可以折叠的，所以我们将速度控制器安装在脏框架内部。安装使用双面胶

    带，将大约0.5英寸宽的一小条胶带放在ESC的一侧(见图3-22和图3-23)。检查

    ESC的两侧是否同样平坦。有时候，ESC的一侧可能有一个突出的圆形大电容，如果

    你发现这种情况，将胶带贴在另一侧并与这个电容粘在一起，这样胶带可以得到最

    大的覆盖面积。图3-22 在ESC最平坦的一面贴上一小条双面胶带图3-23 对4个ESC重复步骤

    在ESC上贴好胶带之后，下面将其放入子框架中。拿起一个ESC，确定胶带上的

    覆盖层已经撕下，可以安装。在脏框架中PDB安装位置的周围找到一个空位。在心里

    将这个空位分为四个象限，将每个ESC放到各自的位置。从ESC中伸出的红色和黑色

    电源导线应该指向框架中心，而上一步中使用的黑色电动机引出线指向外部。确保

    ESC的放置高度足以在下面放入另一个ESC。详见图3-24和图3-25。图3-24 定位ESC，然后将其压紧到位，确保下方有足够的空间放置另一个单元图3-25 当所有ESC就位时，应该如本图所示

    3.4.4 第4步：焊接电源

    下一步是焊接电源。总体概念是将每个ESC的正负极(分别是红色和黑色线)连

    接成一个并联电路。如果你不熟悉并联电路，也没关系，这是一个很简单的概念，就是所有红色线(正极)连接在一起，所有黑色线(地线)连接在一起。图3-9清楚

    地说明了这种工作方式。我们的电路板上有一条正极的通路和一条地线的通路。所

    有ESC和主电池电极都将连接到PDB。

    我们从一个ESC开始，作为第一个例子。确定ESC中引出的红色线需要多长才能

    有效地接触到电源正极(在我们的例子中是左侧的通路)。现在，将导线剪成这一

    长度(或者稍长一些，以防万一)并剥下从线头开始的18英寸绝缘层。然后，用烙

    铁给裸露的导线上锡，准备连接到PDB(见图3-26)。图3-26 给第一条ESC电源线上锡，然后连接到PDB

    给正极上锡之后，确定电烙铁的尖端干净，然后再加上少许焊锡。接下来，用

    尖嘴钳夹住ESC引线，固定在PDB上要连接的位置。确保你所在位置是对应的PDB电

    路。这是我们的正极，所以一定要放在正极的电路上。最后，将正极引线放在烙铁

    头和PDB之间加热。如果所有元件上都有足够的焊锡，它们应该毫无问题地融为一

    体。完成这一步后，移开烙铁，继续用尖嘴钳固定引线几秒钟。如果你注意观察焊

    锡，就会看到它在几秒之内就冷却了，这时它应该呈现类似磨砂的外观，而不是液

    体的形状。一旦达到这样的效果，就可以移开尖嘴钳，检查连接。如果连接还是很

    松，重复必要的步骤，直到焊接牢固(见图3-27)。图3-27 我们的第一条导线已经焊好，连接似乎很牢固

    第一条正极连线就位之后，对同一ESC上的负极重复上述同样的步骤。唯一不同

    的是将引线连接到PDB上的负极电路(在我们的例子中是右侧的通路)，如图3-28

    和图3-29所示。

    了不起!你的第一个ESC已经连接到PDB了!现在，对其余ESC进行相同的处理

    (见图3-30)。慢慢来，想好所有ESC的接线位置。不要错误地将导线剪得太短以

    节约空间。最好是先留出一点余量。图3-28 以与焊接正极相同的方式焊接负极，确保连接到负极电路——图中最靠近底部的通路图3-29 我们的第一个ESC已经做好了从PDB获取电源的准备

    我们的焊接工作几乎完成了。你的作坊里是不是热起来了？剩下的唯一焊接工

    作就是主电池引线。这和ESC引线的连接方式相同。剥去一端的绝缘层，上锡，用尖

    锥钳夹住，加热。一定要连接到正确的电路，焊接要整洁且牢固。图3-30 我们的机队中的另一个例子，其中所有ESC已经连接到PDB

    面向未来

    现在，你只在飞行器上添加了某一数量的元件，但是，谁知道未来会怎么样？

    预先做好计划，在PDB上增加额外的闲置电源引线用于将来可能加入的元件，这是很

    好的做法。在图3-30中，你会注意到我们已经这么做了。试着在你的电源电路上增

    加一条JST电源线(网上花几美分就能买到)，并将其整齐地盘在干净框架和脏框架

    之间。当你想要增加设备(如视频发射机)时，你所要做的就是拉出那个插头，插

    入电源。没有必要再次使用烙铁了!

    3.4.5 第5步：安装无刷电动机

    “小熊座”这样的小型无人机所用的无刷电动机正在不断发展。在我们开始编

    写本书的时候，市场上只有几种型号，大部分人都使用它们。仅过了几个月，就出

    现了几十种型号，而且数量还在不断增加。由于这种不断变化的局面，我们不打算

    专门介绍某种特殊型号，而是介绍适用于所有不同型号的思路。在连杆上安装电动机的概念非常简单；找到电动机自带的合适长度的安装螺丝

    (可能有多种长度)，穿过连杆圆端上的安装孔，进入电动机底部的螺孔。用手拧

    紧后，轮到对角的螺丝，就像在汽车上更换备胎时一样。

    注意螺纹方向!

    注意，电动机上有一根固定螺旋桨的轴。这根轴有螺纹，并搭配某种适合该螺

    纹的螺母(称作支撑螺母)，对螺旋桨施加压力。在早期的小型无人机上，这种螺

    纹都是标准的顺时针螺纹。因为我们的电动机既可能向顺时针方向旋转也可能向逆

    时针方向旋转，制造商意识到如果制造带有标准和反向螺纹的电动机，可以利用螺

    旋桨的旋转方向将其上紧。确保你的螺纹旋转方向始终与螺旋桨的旋转方向相反。

    顺时针旋转的电动机应该使用反向螺纹的轴，逆时针电动机最好搭配标准螺纹

    的轴。

    注意：并不是所有制造商都这么做。许多制造商仍然在所有电动机上使用标准

    螺纹。这仍然可以工作得很好；只是一定要确保上紧，并定期检查(无论如何都要

    这么做)。

    上面这段话的寓意是，始终要知道电动机轴的螺纹类型，确保安装在正确的位

    置。如果需要确认电动机旋转的方向，就要在固定到机身上之前完成。对于我们

    的“小熊座”，在东北和西南方向的电动机将顺时针旋转，而西北和东南方向的电

    机将逆时针旋转。

    安装过程的第一步是将电动机平放在连杆之上，将连杆底部的安装孔与电动机

    底部的螺纹孔对齐(见图3-31)。确保电机的螺纹方向对于预计的电动机旋转方向

    来说是正确的。电机引线应该顺着连杆的方向。确保它们不会向其他方向延伸。图3-31 我们的电动机平放在连杆上准备固定

    现在手动将第一颗螺丝穿过连杆的电动机安装孔，进入电动机底部的螺纹孔。

    完成之后，放入对角的螺丝，直到4个螺丝全部就位(见图3-32)。图3-32 按照处理汽车车轮螺母的方式固定螺丝，确保整体紧密

    所有螺丝都到位之后，依次上紧对角的螺丝，类似处理汽车车轮螺母的方式

    (见图3-33)。图3-33 依次上紧螺丝，确保均匀

    现在，第一个电动机已经安装到位，继续安装其余3个。不要忘记注意安装的螺

    纹方向!

    别安装螺旋桨!

    现在还不要将螺旋桨连接到电机上，那是我们确保一切都正常之后的最后一

    步。这是重要的安全措施。

    3.4.6 第6步：连接无刷电动机

    我们的无刷电动机将通过之前连接到插塞接头的3条黑线连接到速度控制器。如

    果你对无刷电动机还很陌生，这时可能会注意到一件很奇怪的事：这些连线没有标

    签。但是，这是有原因的，无刷电动机和速度控制器的连接方式不会有错，只有电

    动机旋转方向的不同。你可以用这3条线的任意组合连接，从损坏电动机的意义上

    说，任何一种组合都不会“错”，只会引起电动机旋转方向的不同。我们的终极目标是使东北和西南方向的电动机以逆时针方向旋转。但是因为我

    们的制作还没有完成，只需要将它们都连接起来，在本书稍后的章节中，我们可以

    进行测试以找出需要改变方向的地方。现在，使用插塞接头的价值就显而易见了!

    如果你在这一步不得不直接焊接元件，那么难度就要大得多了!如果你使用的套件

    和例子中不一样，参考自动驾驶仪的使用手册，以便确认电动机的方向。

    3.4.7 第7步：清理

    此时，使用束线带并对连线进行清理是一个好主意。在完成所有工作之前为速

    度控制器引出的伺服线做标记也很有益。这将在本书后续项目的工作中使你更加轻

    松。我们通常用细的记号笔或者油漆笔在ESC引线上标记电动机编号。

    3.5 小结

    现在，你应该已经安装好了速度控制器和电动机。确保所有元件的安装都坚

    固，最大程度降低松脱的风险。还要检查电力线束、配电板上的所有焊点，确保没

    有松脱现象。电动机和速度控制器之间的连接应该还是临时的。我们将在本书后面

    安装了所有元件之后再回到电动机接线上来。

    第4章 飞行控制器

    4.1 什么是飞行控制器

    从根本上说，飞行控制器是无人机的大脑。它通过各种传感器，每秒钟数百次

    地测量飞行器的性能，然后管理每个电动机的所有细微调节，保证飞行器在空中的

    稳定。想想你在街上行走时发生的情况。在走过不平坦的人行道或顶风行走时，你

    并不需要思考步态的变化。你只需要继续走，大脑会考虑这些细节并执行，与此同

    时你唯一的想法就是“向前走”。飞行控制器的作用正是如此。当你向无人机下

    达“以每小时10英里(1英里约1.6千米)的速度前进”的命令时，飞行控制器接受

    你的整体命令，将其分解为针对每个电动机、每秒数百条的命令，以实现你所发出

    的命令。如果无人机遇到某种阻力(如逆风)，飞行控制器试图做出所需的变化，无需驾驶员的额外输入，仍然能够完成你下达的任务。

    4.1.1 对比开源与闭源

    可以将世界上的飞行控制器分为两类：开源和闭源。流行的开源飞行控制器包

    括APM(AudruPilot)、Open Pilot的CC3D、Sparky和MultiWii的各种变种。这

    些项目有一个共同点：任何人都可以下载所需的构建文件和软件，制作自己的变

    种。我们鼓励你花一点时间在网上研究所有这类项目。它们都有很好的社区，提供

    丰富的UAV知识。

    闭源飞行控制器有各种各样的配置。较为流行的有大疆(DJI)的Wookong和

    Naza以及X-Aircraft的Super-X和Mini-X。这些系统通常是专利系统，用户不能

    自行修改软件代码。

    4.1.2 传感器

    飞行控制器的核心是惯性测量单元(IMU)，如图4-1所示。这个单元包含一套

    传感器，帮助飞行控制器监控飞行器的活动。最典型的传感器包括加速计、陀螺仪

    和气压计。这些传感器测量飞行器的加速度、旋转速度以及气压(这往往可以换算

    出飞机的高度)。这3个传感器提供了自动驾驶以保持飞行器空中稳定性所需的所有

    数据。图4-1 这个飞行控制器有内建的IMU和外部传感器端口

    除IMU之外还有其他用于高级功能的传感器。这些传感器包括GPS接收机、磁力

    计、光流传感器和空速传感器。随着时间的推移，我们还将看到会向飞行控制器中

    引入更多的传感器，帮助其完成感应与躲避、计算机视觉和人工智能(AI)等任

    务。

    下面是APM及所有输入输出(IO)端子的概览：

    输入端子1～8

    这些端子将连接到我们的无线电接收机，从地面收集飞行指令并传递给APM。

    GPS

    这个端口将连接到我们的GPS传感器。

    I2C(内部集成电路)

    这是一个标准化的计算机串行总线，用于多种外设。如果你以前用过

    Arduino，可能熟悉I2C协议。我们将使用这个端口连接外部罗盘。PM

    这是我们的电源模块端口，我们可以通过它监控电源。

    JP1

    这是一个跳线端口，用于告诉APM有一个在用的电源模块。

    输出端子1～8

    这些端子将提供电子速度控制器所需的信号。如果使用模型飞机的APM，这些端

    子可以向一组伺服装置发送信号。如果要求APM控制无人机上安装的摄像头，这些端

    子还可以提供云台控制器的输入。

    Telem

    我们的遥测电台插到这个端口上。

    A0～A11

    与Arduino中一样，这些是用户可分配模拟引脚。本书中不使用它们。

    4.1.3 飞行特性

    虽然都可以在一定程度上调整，但是每个飞行控制器通常都有自己的飞行特

    性。有些控制器较为“粘软”，直升机可以非常流畅地飞行。这种飞行特性受到拥

    有较大飞行器的航空摄影师或者视频制作人的追捧。其他控制器可能更“干脆利

    索”，更具权威感，例如第一人称视角比赛选手所用的设备。

    4.1.4 软件助手

    所有现代飞行控制器都有某种软件界面(见图4-2)。这允许用户访问飞行控制

    器中的许多重要参数。某些软件助手比其他同类产品更稳定，它们通常都能控制飞

    行器配置、通信设置和自动调平。软件助手可以通过蓝牙、USB或者遥测电台连接，可用于移动和桌面平台。图4-2 在安卓平板上运行的3D Robotics Tower飞行控制器应用

    我们将使用的软件助手是Misson Planner，包含了一个内建的地面站。这使得

    该应用能够显示从飞行器发回的重要信息，如地理位置和传感器读数。从地面访问

    这些信息对于某些类型的飞行具有极大的帮助(如地图测绘或者农业监控任务)在

    任何类型的检修过程中也有实际的用途。

    如果你在阅读本书时使用搭配的套件，可以下载Ardupilot的Mission

    Planner软件(http:ardupilot.comdownloads)。如果使用Mac，可以用

    APM Planner代替。

    4.2 制作步骤

    这部分的制作需要如下材料：·1英寸双面胶带

    ·剪刀

    ·细油漆笔或者记号笔

    ·小束线带

    4.2.1 第1步：安装飞行控制器

    APM飞行控制器将安装在干净框架的底板上。在飞行控制器的两端各使用一小块

    双面胶带，将其固定在框架上(见图4-3和图4-4)。避免使用大片的胶带——以后

    很难去除。双面胶带有一定的隔离振动特性，所以通常越厚的胶带越好(有一定的

    限度，不需要使用0.5英寸厚胶带)。确保APM飞行控制器上向前的箭头指向UAV的

    前方，飞行控制器直接定位在框架的中央，然后将其推到位(见图4-5)。图4-3 割下大约1英寸双面胶，以安装APM

    图4-4 将胶带一分为二，放在APM两端，然后撕去背面图4-5 在双面胶裸露的情况下，将APM放在中央(确保其指向正确的方向)并紧紧地按压到位

    哪个方向是“前”？

    记得前一章中曾经提到过，我们的机身有确定的前和后。后部的两个压铆螺母

    柱安装孔之间有两条狭长的电池线槽。干净框架的顶板和底板上都有这些槽。另一

    个标志是连杆在框架上是“向后”折叠的。还有一个标志是摄像头支架(将在第8章

    中介绍)所覆盖的大孔在干净框架的前部。确保你的自动驾驶仪指向前方(找到APM

    外壳上的向前箭头)并且尽可能居中。指向错误的方向，将导致你的处女航提前结

    束!

    4.2.2 第2步：连接飞行控制器输出

    正如我们前面所讨论的，飞行控制器只不过是一个微处理器，获取一组输入，根据这些输入进行计算，然后发送合适的信号以保持飞行状态。现在，我们唯一需

    要连接到飞行控制器的是电动机和ESC(输出)。观察APM上标记为端子1～8的输

    出。注意，每个输出都有3根垂直堆放在标签号码之下的排针引脚。这三根引脚对应ESC上每条伺服引线的信号、电源和地。引脚的右侧有整齐的标记(S，+，-)；在

    单元的背面可以直接看到它们。

    电线颜色标准

    在ESC上看到的三色标准线有时被称为伺服线。伺服线总是在你所看到的排母上

    包含电源、信号和地线。线的颜色可能变化。经验法则是，电源线总是红色的，但

    是其他线的颜色有两种风格，可能是黑色地线白色信号线，或者是棕色地线橙色

    信号线。现在就学习这一标准，可以让你在制作过程中不会因此而头疼。

    输出1和2分别对应东北和西南方向的电动机。确定控制每个电动机的速度控制

    器，将该ESC的伺服引出线插入对应的输出端子。插入时要确保所有地线(黑色)都

    在伺服引出线的下方。重复这一步骤，将西北方向的电动机插入输入3，东南方向的

    电动机插入输入4。图4-6中清晰地展示了这一布局。图4-6 每个电动机都有一个专用的输出和旋转方向，APM单元和APM框图都指向同一个前进方向

    为了正确地连接这些电缆，用小的油漆笔或者记号笔标记每个ESC插头对应的输

    出号码。清晰地标记之后，对齐所有插头的尖端，在插头正下方沿着电缆方向放上

    一两条小的束线带。这有助于保证整洁和条例。现在，将这组电缆穿过干净框架背

    面的4个矩形孔中的一个(靠近APM输出引脚)。图4-7中可以看到这一过程的详细

    照片。

    现在，将每个ESC插头插入之前标记的APM输出端子。如果正确地完成这些步

    骤，APM和飞行器的ESC之间将有整洁的连接，类似于图4-8。注意，我们尽可能地保证了接线的整洁。

    图4-7 我们的ESC引线整齐地从脏框架穿过干净框架背面的孔，很容易连接到APM上的输出端子(注意，干净框架的顶板被移开，以便拍摄到更好的照片——这一步不是必需的)图4-8 所有ESC都连接到APM输出端子(注意，干净框架的顶板被移开，以便拍摄到更好的照片——这一

    步不是必需的)

    如果使用的不是APM飞行控制器，查阅使用手册以确定正确的电动机输出顺序。

    APM总是从输出1开始，根据无人机使用的电动机数量向上计数。六轴直升机总是使

    用输出端子1~6，而八轴直升机使用输出端子1～8。

    4.2.3 第3步：连接两个子框架

    现在，我们的ESC已经和APM相连，可以继续将两个子框架连接起来。你也许记

    得，第2章制作机身时已经介绍了这一步。如果不记得这一步，可以参考2.3.4节。

    简单回顾一下，你将把4根5mm的安装螺丝穿过干净框架上的安装突片，拧入脏框架

    顶部的短压铆螺母柱。图4-9可能会唤起你的回忆。图4-9 最后，我们做好准备，将两个子框架连接在一起

    4.3 小结

    现在，我们的飞行控制器已经牢固地安装在干净框架上，并将输出端子与4个电

    动机相连接。复核所有连接，确保连线与端子对应。此时进行复核，可以减少以后

    的麻烦。第5章 GPS、罗盘和电池监测仪

    本章中，我们将介绍三种无人机上的附件。如果用单独的章节介绍每一种组

    件，那么篇幅显得太短，所以我们将在本章集中介绍这三种附件。

    5.1 GPS

    使用GPS(见图5-1)运行的能力将无人机与模型飞机截然分开。增加这种卫星

    导航技术使控制水平达到了前所未有的高度。这种额外的控制使无人机设计者可以

    为特定的飞行类型开发飞行模式。

    图5-1 具有内置罗盘的3DR uBlox GPS单元

    飞行模式我们来回顾GPS实现的几种飞行模式。

    悬停(位置和高度)

    悬停(Loiter)可能是最常用的GPS功能，正如其名，这种模式只需按动一个

    开关，就能使飞行器固定在特定的位置(纬度、精度和高度)。固定位置时，如果

    飞行器的位置被任何外力所改变，它将自动校正。例如，一旦启动悬停模式，如果

    风力将飞行器吹离该位置，它将自动飞回。在正常的配置下，距离的范围通常为正

    负2m。高度也采用相同的方法控制，差值范围通常在正负3m之内，不仅可以使用

    GPS，还可以使用附加的传感器加以控制，如内部气压计。

    返航故障保护

    返航(Return to Home，RTH)是现代UAV最好的安全功能之一，只有使用GPS

    才可能实现该功能。这种模式使飞行器能够确定返航地点(通常是最初起飞的位

    置)，在某些故障保护情况下返回该位置。失去与飞行器的无线电联络是RTH模式的

    常见触发因素之一。这种情况可能发生在飞行中电台电池耗尽或者飞出无线电广播

    范围之外时。有些人还在他们的电台上编程一个专用的RTH启动开关。

    RTH安全性

    虽然RTH是一个很棒的功能，可能在需要时拯救你的飞行器，但是应该把它当做

    一个故障保护功能，而不是常用功能。不要将飞行器放飞到太远的位置，以至于无

    法控制它返航。换言之，不要依赖RTH功能。

    路径导航

    GPS数据稍微高级的一种使用方法是通过编程路径进行自主导航。地面控制软件

    向飞行控制器上传一个导航指令列表，后者将这些指令当作要完整的任务逐步执

    行。这种技术在UAV测绘行业中特别有用，在这个行业中，必须一次又一次地重复特

    定的飞行模式。在试图按照路径飞行时，始终要确认飞行器上的GPS性能是否最优

    化。如果飞行器能够保持位置并安全返航，应该就足以执行路径飞行。

    我的GPS是否正常工作？了解GPS的精确度以避免复杂飞行任务风险的方法之一是在地面控制软件中监视

    其位置。将飞行器放在一个大的空旷场地中的稳定位置，不要移动它。如果飞行器

    在地面控制软件中漂移，可能是GPS受到了某种干扰。重新放置飞行器并重复测试。

    另一个选择是升高GPS的位置，远离其他电子元件。

    跟随模式

    多轴飞行器领域中GPS数据的最新使用方法是跟随功能。这种模式使用户可以使

    用移动应用向无人机实时发送用户位置数据流。无人机利用移动设备发送的位置数

    据，将从预先确定的高度和距离上跟随你。仅仅是在体育比赛报道上，这一功能实

    现的可能性就不可思议——想象一下，一架摄像无人机始终悬浮在四分卫头上20英

    尺的高度——但是，跟随模式应该小心使用。因为大部分小型UAV没有感知与躲避

    技术，跟随模式在封闭或者拥堵环境下可能会带来麻烦。如果你在树枝下滑雪，四

    轴直升机可能无法知晓这一切而撞上它们。

    5.2 罗盘

    虽然GPS使我们的无人机获得了更高的自主能力，但是如果不能保持前进的方

    向，这也就毫无意义了。罗盘解决的正是这个问题，它往往和GPS集成在同一个单元

    中(我们制作的示例就是如此)，不仅能告诉无人机所有的方向，还能告诉无人机

    起始时指向的方向，以及飞行期间发生的变化。

    真的是罗盘吗？

    对大部分人来说，“罗盘”一词可能和你第一次徒步旅行或者童子军探险活动

    中看到的那个亮晶晶的圆形仪器联系在一起。你当然知道我说的就是指南针。你的

    APM并不真的内置了这样的设备，它使用一个小型电子传感器(磁力计)寻找罗盘方

    位。

    正如传统的罗盘，磁力计测量周围的磁场，利用这些信息确定面对的方向——

    只是它不用针来表示。在本书中，“罗盘”和“磁力计”是等价的术语。

    对比APM 2.5与2.6根据你所用的零件来源，可能最终得到两种不同的APM飞行控制器版本。两者之

    间有一些细微的差别，但是我们关心的主要是罗盘。APM 2.5使用内部罗盘，而APM

    2.6则改为同在GPS机壳中的一个外部罗盘。这使得传感器可以从APM机壳中移出，放

    置在更为适合的环境中(从磁力的角度看)，如GPS机壳内。如果你拥有的是APM

    2.5，不要烦恼!禁用内部罗盘，使用更新的外部单元相当简单。

    5.3 电池监测仪

    在我们的制作中，另一个个头虽小却很重要的附件是电池监测仪(在某些圈子

    中也称作电源模块)。其他一些飞行控制器默认内置了某种形式的电池监测功能，但是APM允许你将其作为可选的传感器添加。尽管是可选的，但是我们强烈建议你在

    飞行器上增加这一设备(见图5-2)。它提供了某些你可能需要的最重要数据，大部

    分APM将其作为基本捆绑组件(取决于你的购买来源)。

    图5-2 我们的在线电池监测仪在飞行时收集非常重要的任务数据电池监测仪的原理很简单：将一块小电路板与主电池电极相连，使其可以收集

    关键的电压和电流信息并反馈给APM。由此，我们可以命令固件根据该信息完成不同

    的任务，如在达到某一电压时自动返航，作为故障安全措施。

    5.4 制作步骤

    下面向你展示安装GPS、罗盘和电池监测仪的步骤。从安装的角度看，这部分制

    作似乎相当简单。但是请你多加小心，因为在这些方面犯错可能极大地影响飞行器

    的稳定性和可靠性。

    5.4.1 第1步：安装GPS设备

    安装GPS设备可能是整个制作中最简单的步骤之一。重要的是要知道大部分GPS

    设备还包含一个罗盘，这意味着它们有正面和背面之分。始终确保向前的箭头指向

    飞机前方。如果你的GPS组件自带抬升安装支架，一定要使用(见图5-3)。如果没

    有——而且你又没有办法制作——可以从3D Robotics或者Maker Shed上订购一

    个。将GPS设备(和内部罗盘)安装在高于其余电子装置的位置以避免磁场干扰，这

    通常是最好的做法。遵循安装支架的组装指南，将支架固定在无人机机身框架的顶

    部，尽可能靠近重心。在支架上使用较多的双面胶(或者设法用螺丝固定)使其牢

    固地定位。图5-3 3DR为uBlox GPS制作了很好的支架

    至于我们的无人机，我们用额外的37mm压铆螺母柱和一个3D打印的底座制作了

    自己的GPS支架(见图5-4)。你将在本章余下的大部分插图中看到这个单元。根据

    你使用的GPS单元型号，互联网上可以找到几种可3D打印支架的开放设计

    (http:gettingstartedwithdrones.comgps)。图5-4 简单起见，我们使用这个DIY GPS底座

    5.4.2 第2步：连接GPS和罗盘至APM

    如果你为自己的无人机购买了3DR uBlox GPS，它应该自带两条(可能更多)

    小电缆，使你可以连接到APM。从包装袋中取出它们并认真检查。这个GPS可搭配几

    种不同的自动驾驶系统，所以可能自带对应的不同电缆。你应该找出两条标识为4位

    和5-6位的电缆。这听上去似乎有点古怪，但是实际上很简单。“位”指的是插头一

    端的线数。在我们的例子中，使用一条两端均有4位的连线，两端之间有4条线。这

    是用于罗盘(磁力计)的电缆。我们的第二条电缆一端有5位，另一端有6位，两者

    之间由5条线连接——没错，其中一个插头中有一个空位，这是正常的做法，所以无

    需担心。此后我们将说明这种情况的原因，现在，可以在图5-5中看到我们将要使用

    的电缆。如果你没有用于罗盘的电缆，立即告诉供应商，特别是在同一家商店购买

    APM和GPS的情况下!图5-5 确保有合适的电缆

    确认了合适的电缆之后，我们再来看看GPS单元本身；GPS没有太多需要说明的

    地方，它是一个小的黑色方块，左侧有两个标记为GPS和MAG的端口。仔细观察你就

    会注意到，GPS端口有6根插针，MAG端口有4根插针。现在是不是明白了？5-6位GPS

    电缆将插在GPS端口的6根插针上，而罗盘电缆可以用我们的4位电缆中的任何一端

    (见图5-6)。图5-6 GPS设备一侧的两个端口

    MAG端口

    你可能没有意识到，GPS设备一侧的MAG端口是磁力计(Magnetometer)的缩

    写。这是提供罗盘功能的传感器的技术名称。

    我们已经将电缆的一端插入GPS设备，下面将另一端插入APM。找到连接GPS端

    口(GPS设备上)的5位电缆，将其插入APM上的GPS端子(顶部向前箭头的旁边)。

    现在，将另一个4位插头插入I2C端口(内部集成电路的缩写)。这两条电缆的连接

    细节如图5-7所示。图5-7 我们的GPS和罗盘(磁力计)连接到APM

    小心插头!

    这类传感器插头可能很难使用。它们非常脆弱，一旦插入，拔下就可能将其损坏。在制作无人机时，不管因为什么原因插拔这些插头，都必须小心!我们建议使

    用小的平头螺丝刀轻轻地将其撬离插座，同时稍稍拉动电缆。不要太用力拉!如果

    不小心，电线会从插头中拉出，在我们习惯使用这类电缆之前，这样的现象出现了

    多次。随着时间的推移，这一处理会变得容易一些，但是在第一次处理时应该格外

    小心。

    如何插入插头？

    有一个简单快捷的方法能够告诉你如何将插头插入组件中。所有插入APM单元的

    电缆右侧都有一条红色线(由端口上的文字标签确定)。奇怪的是，我们发现在

    uBlox GPS单元上正好相反，红色线总在左侧。当GPS和APM连接起来时特别明显，如

    图5-7所示。

    5.4.3 第3步：安装电池监测仪

    最后，我们将安装电池监测仪。记住，这是可选的附件。如果选择不安装——

    可能是为节省几克重量——可以跳过这一步。但是，在无人机飞行期间监控这些重

    要数据很有价值，我们鼓励完成这部分制作。

    安装总体来说很简单：首先，从配电板(或者电源线束)上将主电池引线插入

    电池监测仪，然后将6位插头插入APM上的PM端口。现在，将电池插入电池监测仪而

    不是配电板上的主电源引出线。图5-8展示了插好的电池监测仪。

    首先，将电池监测仪插入配电板中的主电池引出线(见图5-9)。如果不使用电

    池监测仪，这条引出线通常插入电池中。

    接下来，我们需要在框架的后部安装电池监测仪(见图5-10)。首先，将原来

    的电池引出线插头推入干净框架和脏框架之间的空间，直到框架的后部。这个插头

    应该能够很好地与干净框架底部的监测仪搭配。一定要将6位电缆穿过本书前面ESC

    插头所用的相同线孔，到达框架的底部。这条电缆的长度足以到达其最终目标——

    APM上的PM端口。

    因为电池监测仪的引出线很短，所以我们可用一两条束线带将监测仪固定在框

    架的后端，露出新的电池引出线，这样就容易接入电池了(见图5-11)。图5-8 插入我们的电池监测仪，它通过插到PM端口的6位电缆与APM通信图5-9 你的电池监测仪应该有和主电池引线相同类型的插头(在我们的例子中是XT-60)图5-10 电池监测仪到位，做好固定在机身框架上的准备

    图5-11 新的电池引出线可以连接到飞行电池

    现在只剩下一件事情可做了：将电池监测仪接出的6位电缆插入本章之前已经介

    绍过的PM端口。电缆中的红色线一定要在右侧(端口标签上有指示)。

    5.5 小结

    GPS、罗盘和电池监测仪就介绍到这里。本书后面，我们将使用飞行控制器软件

    确认GPS获取了我们所需要的信号。我们还将了解电池监测仪的设置。现在，转入下

    一章节。

    第6章 发射机6.1 什么是发射机

    目前为止，我们已经讨论了飞行器的多种不同组件，但是还没有谈到飞行器的

    控制方法。这就是发射机的作用(见图6-1)。发射机是飞机的“遥控器”。你可以

    使用发射机向飞行器发送命令，操纵其操纵杆、滑杆、按钮或者开关。命令从发射

    机发送给飞行器上的接收机，后者将命令发送给自动驾驶仪或者其他组件。

    图6-1 FrSky制造的Taranis发射机很流行

    6.2 最常用的频段

    在遥控飞行器的早期，模型制造者们使用较低的AM频段。这一频段的优点是传

    输距离很长，但是有一个重大的缺点：一次只能有一个人调谐到该频率。如果你的朋友在发射机上设置相同的频道，只要打开发射机就可能干扰你的飞行器。

    现代发射机已经通过转移到更高的2.4GHz频段、使用跳频技术确保同一时间没

    有任何人处于同一频段，克服了这个问题。最近，有些制造商已经开始将遥控频段

    提高到5.8GHz频段。这样，他们就可以保留2.4GHz频段用于视频传输(第8章中将

    详细介绍)。知道你使用的频段很重要，因为成群结队飞行时，相互冲突的频率将

    争夺“领空”，可能会造成麻烦。

    >经验法则

    不要试图为5.8GHz控制发射机搭配5.8GHz模拟视频发射机。同理，应该避免同

    时使用2.4GHz控制发射机和2.4GHz模拟视频发射机。这些组件如果处于相同频率，可能造成干扰。作为替代，使用5.8GHz控制器和2.4GHz视频发射机，反之亦可。

    6.3 全球各地的不同模式

    购买遥控发射机时了解其操作模式很重要。美国使用模式2。这种模式将油门和

    方向舵按钮放在左操纵杆上，倾斜和翻滚按钮放在右操纵杆上。欧洲和日本通用的

    模式1中操纵杆的作用与之相反，油门在右操纵杆上。

    6.4 对比PWM与PPM

    如果你之前曾经求购过RC发射机，可能已经见过相关的术语PWM和PPM。它们分

    别是脉宽调制(Pulse-Width Modulation，PWM)和脉位调制(Pulse-Position

    Modulation，PPM)的缩写。这些标签确定了接收机(见图6-2)和飞行器上组件之

    间的通信协议。两者之间的主要区别是，PPM是数字技术，而PWM是模拟技术。作为

    制作者，你将注意到两者在安装上的最大不同是，PPM可以在一条线上实现9个信道

    的通信(数字化串行通信)，而PWM的每个信道需要一条线(模拟通信)。查阅发射

    机和自动驾驶仪的文档以了解使用的协议很重要。如果可以使用PPM，强烈建议使用

    它，因为它使用的线较少，安装过程将变得非常简洁。但是，并不是所有硬件都支

    持PPM协议，所以必须查阅手册以得到进一步的参考。在本书编写时，APM的主要固

    件版本还不支持数字化通信协议。尽管我们知道有些开发人员已经创建了支持这种

    协议的定制固件，但是不建议新手安装来自独立开发人员、未经过测试的固件。坚持使用官方版本，在短期内会轻松得多!

    图6-2 Spektrum的6通道接收机

    >数字化协议的其他名称

    许多制造商已经开发了自己的数字化串行通信专利版本，并自行为其命名。例

    如，双叶(Futaba)公司称其版本为SBus。

    6.5 制作步骤

    这部分制作需要如下材料：

    ·1英寸双面胶带

    ·剪刀

    ·公对公伺服线

    6.5.1 第1步：确定需求安装RC接收机的大概思路很简单。将接收机安装在机身框架上，然后在接收机

    和自动驾驶仪之间连接一系列电缆。因为PWM和PPM之间的差别，以及制造商标准的

    不同，接收机和自动驾驶仪之间有几十种不同的连线方案。然而，我们在此只介绍

    一种，即Spektrum风格接收机(见图6-3)的PWM连接。如果你制作的是不同的产

    品，请查阅自动驾驶仪和发射机的用户手册以确定正确的连接顺序。

    哪一边是“前”？

    一定要将这些组件安装在正确的位置上。你很容易识别框架的前部，因为前部

    有一个大的缺口，用于摄像头的隔振支架。另一个提示是，连杆向机身的后部折

    叠，而非前部。

    图6-3 我们的Spektrum接收机在工作台上插入APM输入端子

    6.5.2 第2步：安装接收机

    使用一块厚的双面胶，在机身上的某个位置安装接收机(见图6-4)。我们建议

    将其放在机身的前部，因为这样在后面的制作中容易连接到APM的输入端子。

    保持通信畅通如果你制作所用的套件不是“小熊座”，可以为接收机找一个靠近自动驾驶仪

    的位置，这样可以保持地面上的控制器有清晰的视线。记住，有些材料(如碳纤

    维)可能会阻断无线电的传输。保持在接收机和地面控制器之间的机身部分尽可能

    少是一个好主意。如果接收机有较长的天线，尽可能将其伸出机身之外较低的位

    置，提供最好的接收性能。

    图6-4 Spektrum接收机安装在机身前部

    6.5.3 第3步：接通接收机

    将5条短的公对公伺服线按照图6-5连接。将输入1连接到接收机的翻滚通道，输

    入2连接到俯仰通道，输入3连接到油门通道，输入4连接到偏航通道，最后将输入5

    连接到Aux 1。我们将用这个通道切换不同的飞行模式。图6-5 APM PWM配线图

    第7章 遥测电台

    7.1 软件监视与控制

    到目前为止，你已经注意到关于RC发射机的一个非常重要的情况：它们只从一

    个方向发起通信——从发射机到飞行器。为了访问飞行器的机载数据，我们必须使

    用一个专用的双向电台——遥测链路。

    选择合适的频率

    遥测电台可以在两种标准频率下工作。在美国，我们通常使用915 MHz频段，而

    欧洲则偏好433 MHz频段。这些标准的确定是为了避免公开市场上其他电子设备的干

    扰。在错误的频段上工作在某些地区是非法的。一定要查阅所在国家的法律，了解

    应该使用的标准。

    顾名思义，遥测链路从飞行器上取得一系列计量值，将其发回地面，可在地面控制软件中显示(见图7-1)。此外，数据(如路径点、自主飞行任务和飞行器配

    置)可以从同一个地面控制软件上传到飞行器。

    图7-1 这台安卓平板电脑加上遥测电台和一个免费的应用，就可以作为一个地面站

    在地面上就能访问这类信息，是一个巨大的优势。它能够帮助你在失控之前发

    现问题。地面控制软件需要的数据点包括维度、经度、高度、飞行器姿态、当前电

    池电压、飞行器方向、速度和飞行时长等。你可以在地面控制软件的手册中找到通

    信数据的完整列表。

    7.2 制作步骤

    这部分制作需要如下材料：

    ·1英寸双面胶

    ·1英寸维可牢·束线带

    7.2.1 第1步：安装地面站电台

    遥测电台套件实际上包含两个不同的电台。其中一个安装在飞行器上，另一个

    与你的地面控制软件连接(见图7-2)。地面电台可以多种方式安装；但是，我们一

    般用维可牢将其固定在运行软件的平板电脑或者笔记本电脑背后。这使我们在不使

    用地面控制软件时可以移除电台。

    图7-2 使用时用维可牢将遥测电台固定在平板电脑背面，不飞行时可以轻松拆除

    地面站软件

    因为APM是一个开源平台，有许多可用的地面站软件集。我们最喜欢的是安卓平

    板上的Tower和Windows PC上的Mission Planner。如果你使用的是Mac笔记本，可以

    下载APM Planner。它与Mission Planner非常类似，具有跨平台版本，可用于

    Windows、OS X和Linux。7.2.2 第2步：准备安装飞行器电台

    对于飞行器电台，我们建议使用双面胶带将电台固定在机身框架上(见图7-

    3)。切下两条大约宽0.5英寸的双面胶，贴在电台对角的两端上。至于安装位置有

    一定的灵活性，但是我们建议将电台放在机身的后半部分。这将使遥测电台尽可能

    地远离RC接收机。

    图7-3 可以使用双面胶将电台固定在机身上

    现在还不需要固定电台。我们希望用胶带将其固定，但是仍然需要为电台接

    线，这在安装之前进行将容易得多。

    哪一面是“上”？一定要将这些组件安装在正确的位置上。你很容易确定机身的“前部”，因为

    它有为摄像机隔振支架预留的大型开口。另一个标志是连杆向框架的后方(而不是

    向前)折叠。

    7.2.3 第3步：接通电台

    为新的遥测电台接线十分简单(见图7-4)。找到电台自带的合适电缆，将其插

    入飞行器电台的后半部分。这条电缆有5条单独的电线(4条黑线和1条红线)，但是

    两端的插头都有6条线槽，其中1条留空。这是常规的做法。电缆的另一端将插入自

    动驾驶以上的遥测端口。

    图7-4 如果在安装到框架之前进行，遥测电台的连接就会轻松得多

    7.2.4 第4步：安装飞行器电台

    现在，你已经连接好电台，可以继续将其安装在机身后部(见图7-5)。应该用双面胶将其固定到位。电台一定要伸出框架之外，使天线能够在需要时自由旋转，但是也不要伸出太多，以免妨碍操作。

    你将会注意到电缆插头侧面的小突起，它使电缆只能从一个方向插入。在用力

    插入电缆之前找到这些突起，确认方向(见图7-6)。

    图7-5 安装好电台的最终产品图7-6 每个插头侧面的引导片使其只能从正确的方向插入

    第8章 摄像头和FPV设备

    航空摄影目前是无人机的首选用途，所以无人机摄像头的主题可以单独成书。

    介绍摄像头的书籍可以涵盖各种各样的配置，从价值5万美元的大型好莱坞影院装置

    到小型运动摄像头，后者正是我们在制作示例中所使用的。本章粗略介绍固定支架

    摄像头的基础知识，这种摄像头具有实况直播的能力，通常将信号发到小型显示器

    或者视频眼镜上。

    8.1 流行的无人机摄像头

    如果你对这一主题很陌生，为无人机选择合适的摄像头可能是一个很困难的任

    务。在选择任何无人机的新摄像头时，我们首先要注意以下5个方面：

    重量和尺寸

    和无人领域的其他组件一样，重量始终是首先要考虑的因素。较轻的组件总是

    更合意。

    远程触发

    拍摄视频时，你可以简单地在地面启动视频录制，降落时停止。但是，对于静态照片来说稍微复杂一些。静态照片需要在整个飞行期间持续触发。通常的解决方

    案是在摄像头中集成一个定时曝光控制计。这个设备本质上就是一个定时器，每过X

    秒就触发相机快门一次。其他流行解决方案包括可以实际按下摄像头快门按钮的机

    械伺服臂，甚至可以通过辅助RC发射机控制的红外遥控器。

    直播流

    无人机摄像头的另一个任务的关键特性是通过摄像头上的某种输出端口输出直

    播流的能力。这个端口可以是数码高分辨率多媒体接口(High-Definition

    Multimedia Interface，HDMI)输出，或者是通过不同插头类型的模拟信号端

    口。不管你是否相信，模拟信号在大部分时候是首选的方法。原因是我们的视频发

    射机只能接收模拟信号。

    摄像头分辨率

    找到符合上述要求的一些摄像头之后，就需要考虑总体的分辨率了。就视频而

    言，分辨率不是问题，现在，即使小型运动摄像头也可以达到4000的高分辨率。但

    是，静态照片是另一回事。一定要检查“百万像素”标称，确保符合你的需求。

    成本

    用上述4个特性缩小潜在候选摄像头的范围之后，就应该考虑价格了。不同类别

    的摄像头有各自的价格区间，所以一定要做些研究以确保得到合理的价格。小型的

    钥匙扣摄像头不到100美元，不错的运动摄像头价格在100～500美元，小型M43相

    机的价格在300～1000美元，数码单反相机的价格则在500美元以上。

    8.1.1 M43相机

    2002年，43全数码化开放标准系统推出，该系统允许互换不同制造上的相机

    机身和镜头(见图8-1)。这一名称来源于图像传感器的长宽比，该传感器比全幅

    DSLR小30%～40%，但是仍比紧凑型的“傻瓜”相机大9倍左右。图8-1 非常流行的M 43相机Lumix GH4，配备奥林巴斯17mm广角镜头

    43系统给UAV领域带来最明显的好处是较小传感器使更小、更轻的摄像头成为

    可能。相应地，更小、更薄的镜头使光线有可能从更接近直角的方向进入相机传感

    器。直射光线增加了景深，降低了照片跑焦的风险。这还使拍摄图像的四角更加明

    亮，中心之外区域的分辨率更高。根本上，使用43相机，可以用相对较小的摄像头

    载荷获得高质量的照片。

    对于我们的制作示例，我们建议使用Mobius运动摄像头或者808钥匙扣摄像

    头。

    8.1.2 Mobius运动摄像头

    对于我们的小型四轴直升机，我们建议使用Mobius运动摄像头或者同等重量级的摄像头(见图8-2)。这种特殊型号的摄像头重量很轻，易于使用，很适合于“小

    熊座”的尺寸，它的几个关键特性如下：

    ·占用空间小：61mm(长)×35mm(宽)×18mm(高)。

    ·重量轻：大约38g(取决于购买的型号)。

    ·内置可充电锂聚合物电池：不需要连接到飞行器的电源系统。

    ·全高清视频：1080p30 FPS；慢动作高清视频720p60FPS。

    ·静态照片定时曝光控制计，分辨率最高为2304×1536。不需要外部相机触发

    器，它每X秒钟触发一次。

    ·拍摄视频时可以实时传送，非常适合搭配视频接收机。

    图8-2 运动摄像头列举：GoPro Hero 3、Mobius广角、Mobius标准镜头和808钥匙扣摄像头

    8.2 用于直播流的FPV

    无人机的一个奇妙的功能是能够实时看到它在天上所见到的情况。这是通过增加一台视频发射机来实现的。这台发射机(VTx，见图8-3)从摄像头取得直播流，通过特定频段发送给地面的接收机。然后，接收机连接到显示器或视频眼镜，显示

    直播视频。

    图8-3 配备可选苜蓿叶天线和直角连接器的5.8GHz视频发射机

    传统上，这种通信通过5.8 GHz模拟视频发射机接收机进行。但是，最近一些

    制造商开始使用5.8 GHz或者2.4 GHz WiFi网络，在移动设备上显示视频流。两种

    设计的总体架构相同：你仍然有一台发射机，将信号发射到地面供接收机接收，然后在某种显示器上显示。

    在我们的套件上能配备什么设备？

    因为我们制作的是自主式“小熊座”套件，附加设备的容限很低。如果你已经

    安装了机载的APM、GPS和摄像头，就只能再安装一种附加设备了。简言之，你可以

    在FPV发射机或者遥测电台中选择，但是我们不建议将两者都安装到无人机上。我们

    已经在前面介绍了添加遥测电台的过程，因此将继续顺延这一制作路径，不进一步

    回顾FPV的信息。但是，如果你对安装视频发射机或其他FPV设备感兴趣，可以访问

    我们关于这一主题的网页(http:gettingstartedwithdrones.comfpv)。

    8.3 制作步骤

    这部分制作需要如下材料：

    ·1英寸双面胶

    ·剪刀

    ·12英寸的线或者无蜡牙线

    8.3.1 第1步：固定摄像头支架

    第2章中你曾经看到，“小熊座”机身上有一块小的隔振板，该设计用于固定小

    型运动摄像头。如果在四轴直升机上安装Mobius摄像头，它应该自带一个快拆支架

    (见图8-4)。我们的第一步是将快拆摄像头支架固定在摄像头隔振板上。这只需要

    割下两块大约为0.5英寸长的双面胶，并将其放在快拆板的底部。现在，从胶带上撕

    去保护层，将快拆支架固定在隔振板上(见图8-5)。图8-4 Mobius摄像头的快拆支架图8-5 固定到隔振板之后的快拆支架

    确保平直!

    双面胶很难从小的塑料部件(如快拆摄像头支架)上撕下。花点时间，确保摄

    像头支架很好地对齐，在隔振板上保持平直。如果没有做到这一点，将双面胶撕下

    重新粘贴是很痛苦的事情，没有人希望看到摄像头在机身上是歪斜的!

    8.3.2 第2步：固定隔振板

    如果之前还没有完成这一步，现在正是将隔振板固定在机身上的橡胶球形支座

    上的好时机。简单快捷的方法是使用一条线或者无蜡牙线将球形支座拉过安装孔，如图8-6所示。对4个橡胶球重复这一步骤。你面对的是正确的方向吗？

    确保摄像机支架面对正确的方向。支架有3个侧边，另一端开放以便摄像头滑

    入。确保开放端指向飞行器的前方。

    图8-6 将隔振板固定在橡胶球形支座上

    8.3.3 第3步：放置摄像头于快拆支架中

    现在，我们的摄像头快拆支架已经固定在隔振板上——隔振板也已经安装在橡

    胶球形支座上——剩下的就是将摄像头滑入摄像头支架(见图8-7)。确保摄像头

    的镜头指向摄像头支架外部，然后将摄像头中部的小凹槽对准摄像头支架侧壁伸出

    的5个突片。这些突片用于固定放置在支架内的摄像头。现在，轻轻地将摄像头推入

    支架，同时握住支架后部，提供额外的支撑。图8-7 放在快拆摄像头支架旁边的Mobius摄像头

    第9章 ArduPilot Mega设置

    现在，我们已经完成实体制作的大部分，是时候进入Mission Planner，开始

    设置自动驾驶仪了。一旦完成了这一过程，我们只要再做一些收尾工作，飞行器就

    可以飞行了!

    本章的结构和其余各章略有不同，我们直接进入制作步骤，然后研究Mission

    Planner应用程序的其余部分。

    9.1 制作步骤

    这部分制作需要如下材料：·一台运行Windows 7或者更新系统的笔记本电脑(如果只有Mac，可以建立一

    个Boot Camp分区以安装Windows)

    ·最新版本的Mission Planner应用程序

    ·Micro-B型USB 1.12.0电缆

    9.1.1 第1步：更新固件

    我们应该做的第一件事是确保运行最新版本的固件。根据ArduPilot

    Mega(APM)制造的时间，它可能有许多不同的版本。不要抱着侥幸心理使用随产

    品自带的版本；完成更新，这样可以确保你走在正确的道路上：

    a.开启笔记本电脑电源打开Mission Planner。

    b.将USB电缆插入APM，另一端连接笔记本。

    c.进入Mission Planner的Initial Setup(初始设置)选项卡，单击左侧菜

    单中的Install Firmware(安装固件)。

    d.从屏幕中间的图形按钮选择ArduCopter vX.X Quad(其中vX.X是你的版本

    号)固件类型(见图9-1)。图9-1 选择需要更新的固件类型(我们的例子中是ArduCopter Quad)

    e.系统将要求你确认想要更新的固件。单击Yes继续(见图9-2)。

    f.Mission Planner将找到可用于你的APM固件的最新版本，并启动更新。单

    击OK继续(见图9-3)。

    g.固件更新开始(见图9-4)。

    h.固件上传之后，需要对其进行验证(见图9-5)。

    i.在更新完成之后，Mission Planner发出警告，更新可能需要一些附加步骤

    (见图9-6)。图9-2 单击YES确认你想要升级图9-3 Mission Planner自动找到你的APM支持的最新固件版本图9-4 固件上传开始图9-5 固件验证进行中图9-6 更新已完成!单击OK继续

    保持连接

    在更新完成之前不要断开USB电缆。注意进度条以了解何时完成更新是很重要

    的，绝对不要打断这一过程。

    波特率和COM端口

    每当用Mission Planner连接APM时，都必须指定通信的波特率。这一指标定义

    了数据通信的速度(位秒)。通用的经验法则是对通过USB电缆的通信使用

    115200，对遥测电台通信使用57600。其他应用程序可能会自动检测通信类型并调

    整，但是了解这一细节仍然很重要，因为Mission Planner要求输入这一数值。

    此外，你必须知道APM与笔记本电脑通信使用哪一个COM端口。Mission Planner

    能很好地发现你的APM，默认选择正确的COM端口，但是这需要一个窍门。你必须在

    打开Mission Planner之前插入APM。如果这一步仍然无效，查看PC设置，找出所有

    开放的COM端口，你应该能看到APM以“Arduino Mega”的名称列出。记下这个COM端口以便继续。

    9.1.2 第2步：连接并完成必要的设置

    现在，你已经上传了固件，我们已经有了一个很好的起点。下面我们来完成必

    要的设置，使这只“小鸟”做好飞翔的准备!

    实际上，完成这一步有两种方式。第一种是使用上一步中使用的Install

    Firmware按钮正下方的Wizard(向导)。第二种方式是人工操作。我们在本例中将

    介绍人工操作，但是两种方式本质上是一样的。向导强制将所有步骤一起完成，而

    人工输入允许只完成想要做的步骤。每当设置新的飞行器时，我们都应该完成所有

    步骤，但是未来你可能只需要重新操作一两个步骤(如GPS或者IMU校准)即可，我

    们打算从头开始讲解。

    进行任何设置之前，我们都必须将APM连接到Mission Planner。这需要选择

    COM端口和波特率，然后单击应用右上角的Connect(连接)按钮。连接之后，你会

    注意到左栏中会出现一组新的菜单选项，包括Mandatory Hardware(必备硬件)

    和Optional Hardware(可选硬件)。

    步骤2.1：设置机身类型

    单击Mandatory Hardware标题下左侧栏目中的Frame type按钮，并选择X

    copter类别(见图9-7)。图9-7 选择机身类型

    忽略默认设置

    你将会注意到，在机身选择的旁边是一个标题为Default Settings(默认设

    置)的下拉式菜单。在本次制作期间可以忽略该项目。它是某些现成无人机的快捷

    方式。例如，如果你拥有一架3D Robotics Iris+四轴直升机，就会在这个菜单中发

    现针对该型号的设置。遗憾的是，Mission Planner没有自带我们型号的所用设置，所以我们必须人工设置。没关系，这样做你会学到更多!

    对比X与+

    选择X机身类型时，你可能注意到有一些选项。最常见的是X和+(其他软件有时

    称为“I”)。这指的是机身的配置，以及和APM布置的关系。如果你可以想象一条

    横穿APM、延伸到机身前部的直线，X配置中这条直线指向两个电动机之间，而+配置

    则直接指向某一个电动机。图9-8说明了这两种配置。图9-8 两种不同配置(X和+)的四轴直升机

    步骤2.2：校准加速计

    下一个子步骤是校准我们的加速计。这为APM设置了一个基准，以了

    解“上”、“下”等方向。Mission Planner要求你将无人机移到不同的位置，一

    定要在水平的工作平面上有一块干净的区域，以跟踪所描述的方向。在尽可能水平

    的区域内进行这项工作很重要。如果有这样的区域，可以使用气泡水平仪确认选择

    的区域是否水平。我们常常使用小的电视柜，因为如果偏离水平，很容易使用垫片

    调整。

    单击左侧菜单中的Accel Calibration(加速计校准)按钮(见图9-9)。这

    将在主应用窗口中放置一个标记为Calibrate Accel的按钮。单击该按钮并根据

    Mission Planner的指令。它将要求你将无人机放在多个不同位置，然后按下任意

    键继续。一旦此过程完成，你将看到校准通过或失败的通知。要求你使用的位置

    是：图9-9 校准加速计

    水平

    飞行器正面向上时保持的正常位置。

    倒放

    正如其名：将飞机从正常位置倒放。

    机头向下

    飞行器的前部直指地面，尾部向上。

    机头向上

    机尾向下，机头向上。

    左飞行器左侧向下，右侧向上。

    右

    飞行器右侧向下，左侧向上。

    步骤2.3：设置罗盘

    单击左侧菜单中的Compass(罗盘)按钮，将在主应用窗口中显示罗盘设置屏

    幕(见图9-10)。设置罗盘是非常重要的过程，包括3个基本步骤：

    图9-10 罗盘设置

    a.启用自动磁偏角：找到并选中主应用窗口的Enable(启用)和Auto Dec

    Declination(自动磁偏角)复选框。这个设置允许APM使用自己的GPS找到你所在

    的位置，然后对该位置微调你的罗盘。该设置考虑了正北和地磁北极之间的偏差。

    b.选择罗盘类型和方向：在主应用窗口的Orientation(方向)框中选择APM

    with External Compass(带外部罗盘的APM)选项。这将把该字段底部的文本改

    为ROTATION_ROLL_180。该信息将告诉APM罗盘指向的方向，也因此它有了开始测量的基准。

    c.执行校准：现在，我们已经确定了罗盘的方向，可以对其进行校准了(见图

    9-11)。单击主应用窗口底部的Live Calibration(实时校准)按钮，按照

    Mission Planner的指令进行。这一步可能需要花费几分钟，应用程序要求你沿着

    所有轴转动飞行器，使其可以在一个虚拟球体中获取一些采样点。花一点时间并按

    照指令进行，直到Mission Planner通知校准通过。如果因为某些奇怪的原因校准

    失败，不要担心。只需要再次进行校准，确保沿着罗盘的所有轴移动即可。

    图9-11 罗盘校准

    步骤2.4：电台校准

    接下来是电台校准。APM称发射机为电台，所以从现在开始我们将这两个术语互

    换使用。单击左侧菜单中的Radio Calibration(电台校准)按钮(见图9-12)。

    这将在主应用窗口中显示校准页面。这里，常规的思路是让Mission Planner与你

    的电台通信，找出每个通道的范围。在校准期间，系统会要求你将操纵杆、开关和

    旋钮转到最小和最大设置，以便应用程序了解每个通道的范围。一个个绿色的条形

    图将表示电台的每个通道，它们将随着电台的控制而移动(见图9-13)：a.打开发射机电源(如果你还没有这么做的话)。

    b.单击主应用窗口中Radio 8条形图下绿色的Calibrate Radio(校准电台)

    按钮。

    c.按照指令将所有电台控制设备开到最大和最小设置，包括你将要使用的所有

    控制设备，如发射机上的操纵杆、开关、旋钮和滑块(根据你拥有的电台类型)。

    你将注意到，每个通道的条形图上将出现一条细红线，表示其最小–最大设置。

    d.完成之后，单击Click when Done(完成时单击)按钮(和校准功能是同一

    个按钮，只是标签不同)。

    图9-12 电台校准开始之前

    完成校准之后，将显示一个小的弹出窗口，告诉你电台每个通道的最小–最大值

    (见图9-14)。单击OK离开该屏幕，进入下一步。图9-13 注意表示每个通道最小–最大值的红色线

    图9-14 祝贺你!电台已经校准步骤2.5：设置飞行模式

    你已经校准了电台，下面让我们在飞行模式开关上设置正确的飞行模式。要启

    动这个过程，首先单击左侧菜单中的Flight Modes(飞行模式)按钮。这将在主应

    用窗口显示飞行模式的指定视图。我们将使用这个视图设置悬停和稳定飞行模式。

    如果你的电台有一个三位开关(有的只有两个位置)，可以选择一个额外的飞行模

    式，如Auto(路径导航)或者RTH(返航)：

    a.在开启电台电源的情况下，切换飞行模式开关的不同位置，同时观察

    Mission Planner。你将注意到，开关的每个位置将会使应用程序中不同的飞行模

    式菜单变成绿色。记下每个开关位置“点亮”的模式菜单。

    b.使用每个飞行模式的下拉菜单，指定希望用该开关位置开启的模式。例如，如果开关位置1点亮了应用程序中的模式菜单2，你可以在下拉菜单中更改，将悬停

    飞行模式指定给该开关位置(见图9-15)。现在，切换到开关位置2，用模式菜单指

    定稳定模式(见图9-16和图9-17)。

    图9-15 开关位置1点亮飞行模式菜单2图9-16 开关位置2点亮飞行模式菜单4图9-17 使用下拉菜单将稳定飞行模式指定给模式菜单2

    步骤2.6：设置故障安全

    我们的必要设置快要完成了。最后一件事是故障安全设置。这个设置使我们能

    够定义在飞行器的某个部分失效时采取的措施，比如当失去无线电连接或者电池电

    力在飞行时下降到某一水平时采取的措施。要开始这一步骤，首先在左侧菜单中单

    击FailSafe(故障安全)按钮：

    a.找到主应用菜单右侧的Battery(电池)框。将Low Battery(电池低电

    压)设置为10.4，Reserved MAH设置为0。这使我们只监控电压，而不用监视电池

    的容量。只有在任何时候都使用相同大小的电池，且准确地知道触发故障安全措施

    之前需要多少“剩余容量”时，才会设置MAH。在使用超出一种电池大小时设置这个

    选项，可能会导致过早触发故障安全。

    b.现在，我们需要设置发生电池故障安全事件时采取的措施。从同一个

    Battery字段的下拉菜单中选择其中一项(见图9-18)。

    下拉菜单中的选项有：

    ·Disabled(禁用)

    ·Land(着陆)

    ·RTH(返航)图9-18 电池故障安全选项

    c.在下方的Radio(电台)框中，从下拉菜单中选择所需的操作(见图9-

    19)。这将告诉APM，当无线电联系中断一段时间(由APM决定)时应该采取什么措

    施。现在，将FS PWM文本输入框中的值设置为975。这将告诉APM，RTH事件期间的

    PWM值。电台故障安全措施为：

    ·Disabled(禁用)

    ·Enabled always RTH(启用，总是返航)

    ·Enabled Continue with Mission in Auto Mode(启用，继续自动模式中的

    任务)

    ·Enabled always Land(启用，总是着陆)图9-19 电台故障安全选项

    9.1.3 第3步：添加可选硬件

    你已经完成了必要硬件的设置!现在是时候转向可选硬件了。APM允许在自动驾

    驶仪上添加许多可选硬件。这是该系统吸引众多业余制作者和发烧友的优秀特性之

    一。最常见的增补硬件是遥测电台和电池监测仪，但是其他选项也很多，包括声呐

    传感器、空速监视仪、光学流传感器、屏幕显示器(OSD)、摄像机云台(基于伺服

    机构)、天线跟踪器和蓝牙模块。这些增补硬件中大部分超出了本书的范围。实际

    上，仅是这些选项就可以独立成书!在这个特殊步骤中，我们将介绍两种最流行的

    选择：遥测电台和电池监视仪。如果你选择不安装这些组件，可以跳过步骤3。

    步骤3.1：3DR电台(遥测)

    在第7章中，我们为APM安装了遥测电台。这些电台是成对出厂的，都调谐为同

    一频道(或称Net ID)。理论上，除了接通这些电台的电源，按下连接按钮之外，你不需要做任何事情。但是，知道电台设置在哪里、在必要时如何更改，是很好的

    事情(见图9-20)。如果和朋友一起放飞直升机，调整自己的Net ID以避免相互干扰，也是一个好主意。

    图9-20 加载遥测电台设置

    按照如下步骤，检查电台相互通信是否符合预期：

    a.确定是否已经通过USB连接到Mission Planner，如果已经连接，断开并拔

    出电缆。

    b.接通发射机和安装遥测电台的无人机的电源。

    c.将地面遥测电台连接到笔记本并打开Mission Planner。

    d.在必要时设置COM端口，将波特率设置为57600，然后单击Connect。

    如果你打算更改Net ID设置，以便在和其他人一起飞行时不造成干扰，只需要

    使用下拉菜单找到一个新的频道。一定要将本地(Local，地面)和远程

    (Remote，空中)电台设置为同一个ID，然后单击主应用窗口顶部的绿色Save

    Settings(保存设置)按钮。步骤3.2：电池监测仪

    许多人喜欢的另一个可选硬件是电池监测仪。这是一种简单的设备，但是可以

    提供非常有价值的信息，可以在电池故障的时候拯救你的飞行器。正如第5章中所介

    绍的，电池监测仪安装在主配电插座和电池之间。它使用一个小芯片与APM通信，分

    析电池的电流和剩余容量。Mission Planner的这个页面允许你调整几个电池监测

    仪的设置。选择左侧菜单中的Battery Monitor(电池监测仪)，可以打开这个屏

    幕，你可以控制3个设置：

    监测仪

    描述电池监测仪将监控的内容。选项有Disabled(禁用)、Battery

    Volts(电池电压)和Voltage and Current(电压及电流)。我们建议在拥有电

    池监测仪时使用Voltage and Current选项(见图9-21)。该选项能够提供更多信

    息，这总是件很好的事情。

    传感器

    这个菜单可以选择使用电池监测仪的传感器类型。如果你是从Maker Shed购买

    的套件，应该使用3DR Power Module选项，如果是在其他地方购买的监测仪，可以

    咨询商店，确定他们卖给你的监测仪类型，然后从列表中选择。如果不知道类型且

    没有办法确定，使用Other(其他)选项通常有效。

    APM版本

    这个选项不言自明。对于我们制作的直升机，选择APM 2.5+3DR Power

    Module选项。如果购买的是不同版本的APM(如Pixhawk或者PX4)，从选项中找到

    并选择。图9-21 电池监测仪设置页面

    9.2 探索Mission Planner的其余功能

    干得好!你已经完成了配备APM的新四轴直升机的设置了!下面我们花几分钟来

    观察一下Mission Planner应用的其余功能。到目前为止，我们使用的功能都在

    Initial Setup选项卡中。现在，我们将研究其他选项卡中的一些功能。有些功能

    和我们已经讨论过的功能相似，但是大部分都是新功能。单击顶部的

    ConfigTuning(配置调整)按钮，探索出现在左侧菜单中的一些选项。

    9.2.1 飞行模式

    这个屏幕(见图9-22)实际上和本章前面讨论的Flight Modes屏幕完全相同。

    你可以使用这个页面为无线电发射机上的不同开关位置指定不同的飞行模式。图9-22 飞行模式屏幕

    9.2.2 地理围栏

    对于新飞行员来说，地理围栏(Geo Fence)可能是很巧妙的安全功能。它的

    功能正如其名：在起飞点附近设置一个虚拟的围栏，不允许飞行器超越该范围。可

    以将其视为用一根虚拟牵引绳控制四轴直升机的方法!APM将使用初始起飞位置指定

    返航点，由此开始，你在屏幕上选择的选项将规定飞行器的飞行距离，以及“围

    栏”被突破时发生的情况。如果想要使用这一功能，只需简单地选中主应用窗口顶

    部的Enable复选框，然后在下面设置参数(见图9-23)。记住，这里的参数使用公

    制单位，所以其中的数字表示米，而不是英尺。图9-23 Geo Fence屏幕

    9.2.3 基础调整

    如果你曾在网上阅读关于无人机的文章，就可能听说过人们以某种方式调整其

    四轴直升机。这里的思路是，不同的无人机有不同的飞行特性，自动驾驶仪(在我

    们的示例中是APM)必须调整以匹配这些特性。想想我们的“小熊座”，它的特性明

    显不同于一架35磅重、下挂单反相机的八轴直升机。调整使你可以在这两种飞行器

    上使用相同的自动驾驶仪，并且对其进行改良，以便在任何一种环境中工作。

    基本调整是APM调整的入口点(见图9-24)。吸引人们使用APM平台的特性之一

    是，它有几乎无限的参数集，可以用来微调高级功能(大部分功能超出了本书的范

    围)。这个页面可以设置一些改变飞行器“感知”的功能。你可以调整无人机对发

    射机输入的响应、无人机对自动调平功能的敏感度、油门悬停位置以及油门输入对

    飞行器爬升率的影响。每项输入都有一个简单的描述，说明了该滑块位置对飞行器

    的影响。如果你有遥测电台，很容易在飞行器飞行期间打开Mission Planner，微

    调这些参数，实时观察其效果。图9-24 基本调整参数

    9.2.4 扩展调整

    扩展调整屏幕允许你进行许多高级的飞行特性调整(见图9-25)。扩展调整有

    时候称作PID(比例、积分、微分)调整，该屏幕可以调整飞行器的3种运动(翻

    滚、俯仰和偏航)，其变量反馈到一个PID控制器算法。这种控制器在大规模工业控

    制系统中非常流行。这一过程通过创建一个控制回路反馈，计算误差值并试图校正

    误差得到预期的结果。

    幸运的是，APM有现成的标准设置，对于大部分安装来说都工作得很好。如果飞

    行器表现得不如预期，你觉得需要调整PID以得到最好的性能，我们建议对这一主题

    进行单独的研究。PID调整很复杂，超出了本书的范围。还有一些选项可以自动调整

    APM的PID设置，但是我们发现这一过程的结果好坏参半。即使这对你来说是一个选

    择，更深入地学习PID调整的理论以便理解后台发生的情况，也不失为一个好主意。

    如果你对这方面感兴趣，我们的网站上提供了一个很好的出发点

    (http:gettingstartedwithdrones.compid-tuning)。图9-25 扩展调整屏幕

    9.2.5 标准参数

    标准参数页面展示了APM平台极度灵活的特性(见图9-26)。该屏幕显示很长

    的参数列表，设置它们有助于定制或微调飞行器，满足特殊的需求。这个列表太

    长，无法在此一一讨论，我们当然希望你能够自己动手探索；但是，一定要注意：

    改变这些参数时要小心!如果不理解参数的作用，在更改和试飞之前查阅APM网站。

    在Ardupilot网站上可以找标准和高级参数的完整列表

    (http:ardupilot.orgcopterdocsparameters.html)。图9-26 标准参数

    9.2.6 飞行数据

    到目前为止，本书花费了相当的篇幅讨论通过遥测电台将遥测数据发送到地面

    站的方法。飞行数据屏幕(见图9-27)正是查看大部分这类数据的地方。当你打开

    Flight Data(飞行数据)选项卡时，就会注意到屏幕右侧有一幅很大的地图。图

    上将实时更新飞行器所在的位置(只要你安装了GPS)。图9-27 飞行数据屏幕

    应用程序左侧将是一个分为上下两部分的栏目。上半部分包含一个你可能很熟

    悉的仪表。它本质上是一个在全尺寸飞机上能够看到的地平仪。唯一的不同是，我

    们的地平仪上有一些与飞行器类型直接相关的附加数据。这个仪表将通过随着飞行

    器的飞行移动地平线(由绿色和蓝色区域分隔)，显示其高度，并且显示飞行器的

    方向、飞行模式、GPS状态、电池水平和罗盘方向。

    地平仪之下的空间用于显示一些从APM返回地面站的数据点。这些数据点在飞行

    中非常有用，它们将帮助你确定飞行器的飞行速度、距离起飞点的位置和当前高度

    等。

    9.2.7 飞行计划

    最后，我们将简单地了解一下飞行计划屏幕，你可以用这个屏幕规划自主飞行

    (见图9-28)。乍看之下，它和飞行数据屏幕非常类似，因为它也有相同的地图，但是这个地图内置了许多附加功能。图9-28 飞行计划屏幕

    从整个任务到单独路径点，一切都可以在这个屏幕上进行规划。不管任务复杂

    性如何，它们都由一组引导飞行器到特定纬度、经度和高度的路径点组成。你还将

    告诉飞行器在完成每条路径时应该进行的操作——例如，你可能希望它暂停30s，或者直接转向下一个路径点，以及在到达路径点途中应该控制的飞行速度。

    在进行任何自主飞行之前，扎实地掌握人工飞行是非常重要的。每个飞行员都

    应该能够在GPS或者传感器失效时人工控制飞行器返航。

    平板电脑自主飞行软件

    虽然Mission Planner是一个健全的应用程序，足以规划和执行自主飞行计划，但是在现场使用它并不总是件容易的事情，因为它运行于笔记本电脑。许多人喜欢

    使用较小的安卓平板电脑，减少飞行时需要携带的设备数量。平板电脑甚至可以直

    接安装到2.4 GHz无线电发射机上，将所有控制系统集中在一处。如果你对现场工作

    所用的平板电脑感兴趣，可以下载3DR安装应用Tower。这是历史悠久的Droid

    Planner应用的最新版本。如果你想要了解更多关于平板电脑地面站的知识，可以访问我们的网站(http:gettingstartedwithdrones.comground-stations)。

    9.3 准备处女航

    从技术上说，现在你已经完成了制作工作。所有组件都已经安装，飞行控制器

    设置完毕，你几乎准备就绪，可以对其进行测试，看看它能不能很好地飞行!但

    是，我们想先向你提供一些建议。如果你对遥控飞行很陌生，我们建议你先阅读剩

    下的章节，更好地理解如何以安全的方式飞行。在完成那些章节的阅读之后，你可

    以继续如下步骤：

    1.停止螺旋桨转动，再次检查所有电动机的旋转方向是否正确。你可能还记得

    在本书前面的章节中，我们从ESC中将插塞接头插入电动机时尚不知晓正确的方向。

    现在正是复核的时机。启动你的电动机(默认操作是左操纵杆向下并向左持续

    3s)，一次检查一个电动机。如果发现旋转方向有误，更改三个插塞接头中的任意

    两个，使其反向旋转。

    2.在螺旋桨关闭、电动机正确旋转的情况下，检查APM是否正确地自动调平。你

    可以通过慢慢地旋转电动机，同时手持四轴直升机，向某个方向轻轻倾斜来确定。

    如果APM的工作正如预期，它应该自动增大电动机(更靠近地面)转速。如果发现不

    正确，复核所有ESC是否都插入APM上对应的输出端子。

    3.如果到目前为止一切正常，那么可以装上螺旋桨，尝试起飞!不要着急，慢

    慢地起飞。轻柔地旋转螺旋桨，看看能否让四轴直升机离开地面。此时注意操纵杆

    的控制要柔和。确认一切正常，如向左翻滚指令确实使飞行器向左飞行。如果一切

    看上去都正常，慢慢加大油门，直到离地1～2英尺。不要太靠近地面，否则地面效

    应可能会造成麻烦。地面效应发生在螺旋桨排开的空气与地面接触的时候，它所造

    成的扰动可能将飞行器推向四周。

    4.慢慢实践!这不是一场竞赛，立即升空并不会得到奖励。现在花点时间感受

    你的飞行器，以后会更容易取得成功。

    第10章 安全、负责任的飞行10.1 安全第一

    我们在日常生活中经常听到“安全第一”这句话，理由很充分：尽所能保护自

    己和他人的安全，这比任何设备和任务的完成都更重要。手工制作小型UAV并安全、负责任地飞行，将确保你长时间地参加这项活动。坚持制作和飞行小型UAV的人们能

    够理解认真对待安全的重要性。这是对飞行器模型和整个UAV社区的尊敬和贡献。牢

    记本章中的概念，参与空中机器人活动是学习或者增强纪律性的极好途径。你必须

    全心全力，尽一切可能完成产生成功、安全结果的所有事项。

    10.2 培训和教育

    要在探索多轴直升机的同时保持安全，很大的一部分工作是尽可能地学习它们

    的技术和潜在风险。小型UAV自主控制和安全性技术不断取得新的进展，紧跟这些发

    展能够保证飞行安全。但是，我们不建议依赖自动飞行控制模式。GPS锁定和稳定模

    式是奇妙的特性，但是对于任何设备无法发送和接收命令时，负责任的操纵者应知

    道如何接管飞行器，人工控制飞行。没有什么能够替代你自己在知识、经验方面的

    积累，以及“操纵杆上”的实践。

    >使用飞行模拟软件可以形成肌肉记忆和本能的飞行控制能力。

    10.3 资源

    制作并安全、负责任地放飞UAV是你的职责，但是你并不孤单。如果你对飞行器

    的设计、制作或者飞行有任何不确定的地方，都可以寻求帮助。有许多可供小型UAV

    开发者使用的资源和在线论坛，在那里，你可以得到关于UAV安全性和技术的建议及

    信息。

    2014年年底，有3个组织与美国联邦航空局(FAA)紧密合作，就小型UAV安全

    飞行的政策说明和最佳实践达成了共识。这3个组织是国际无人机系统学会

    (AUVSI)、航空模型学会(AMA)和小型无人驾驶航空器联合会(SUAVC)，它们

    编撰了一份驾驶小型UAV的守则，称为“空中规则”。它们建议的安全指导方针是一

    个很好的起点，但是我们建议你积极、定期地查看这些规则，因为规则是不断发展

    的。我们在下面的列表中对其进行了分项总结，并用一些专业、负责任的小型UAV飞行活动的思路详加介绍。

    10.4 重要链接

    主要SUAS资源组的重要链接包括：

    ·AUVSI(http:www.auvsi.orghome)

    ·AMA(http:www.modelaircraft.org)

    ·SUAVC(http:www.smalluavcoalition.org)

    ·FAA(http:www.faa.govuasgetting_startedfly_for_fun)

    此外，还可以查阅我们的安全性规程完整列表

    (http:gettingstartedwithdrones.comdocsUAVSafety.pdf)。

    AMA也有一个关于RC飞行器飞行最佳实践的单页PDF文件

    (https:www.modelaircraft.orgfiles105.pdf)。

    10.5 关键飞行安全规则

    准备升空时，安全和负责任的飞行应该始终是你的首要考虑事项。熟悉如下事

    项，你能够很好地与周围的人们共享蓝天：

    ·始终在400英尺以下的高度飞行。全尺寸飞行器在500英尺以上的高度飞行。

    这样做能够在有人驾驶飞行器和无人驾驶飞行器之间留出100英尺的缓冲区。

    ·在你的视线(LOS)之内飞行。这意味着，你在操纵时始终能够看到你的飞行

    器。根据我们的经验，在与太阳相同的方向上观察飞机可能产生能见度问题。仔细

    考虑飞行时间和所处的方向。彩色的起落架或者LED灯有助于识别多轴飞行器的前端

    和后端，从而保持方向感。使用FPV视频眼镜安全飞行的说明请参见本节后面的部

    分。

    ·加入当地的UAV或者模型飞行器爱好者俱乐部。如果在你的地区做不到，可以创建自己的MeetUp群，讨论关于UAV安全、负责任飞行的最佳实践的发展。

    ·绝不要在任何机场的5英里范围内飞行，不要在活动前后一小时内在大型体育

    馆的3英里内飞行，也不要在国家公园或者军事基地飞行。

    https:www.mapbox.comdroneno-fly上的交互式地图可以帮助你识别禁飞区。

    ·参加飞行课程。这将有助于帮你复习飞行原理，并从全尺寸飞机飞行员的视

    角体验飞行。你还可以寻找关于小型无人飞行器操纵的当地课程。

    ·在每次飞行之前，一定要检查你的设备，确保所有组件都处于正常工作状

    态。

    ·飞行只是为了消遣!不要在未经FAA授权的情况下进行商业目的的飞行。你应

    该在积累多年经验后再考虑这种飞行。飞行器的保险对于娱乐使用并非必需，但是

    购买一份保险是个好主意。如果加入AMA飞行俱乐部，会员资格中就包含了有限的保

    险。商业使用必需购买保险。

    ·绝不能鲁莽地飞行。这不仅很危险，而且对于所在地区的人们和财产都是不

    尊重的，你可能会因此收到传票和高额罚单。一定要注意安全。

    10.6 第一人称视角

    许多多轴飞行器爱好者喜欢用视频眼镜进行第一人称视角(First-Person

    View，FPV)飞行，视频眼镜能给飞行员带来坐在驾驶舱中的感觉。UAV的前端安装

    一个小的摄像头，提供无人机视角的实时视图。FPV飞行的快速流行归功于有组织的

    小型无人机竞赛。2015年四五月份的《Make》杂志中有许多出色的FPV特性和信

    息。下面是一些提示：

    ·请一位朋友随行，作为观察员。你需要有人作为“第二双眼”，保持直升机

    在视线之内，对可能干扰飞行路径的任何情况加以警告。

    ·和附近的其他FPV飞行员沟通清楚使用的视频通道(频率)，避免接收和能见

    度的干扰。

    ·前往远离人群、房屋、道路和电力线路的空旷、偏远地区。·避免带孩子或宠物进入FPV飞行区域，因为他们可能会不知不觉地进入 ......