治疗白癜风多少钱 https://m.39.net/disease/a_5599614.html第二节认识——四旋翼无人机的飞行原理与硬件配置2、四旋翼无人机的飞行原理和飞控（飞行控制器）介绍2.1四旋翼无人机的飞行原理在学习如何自己制作一台四旋翼无人机之前，我们先科普一下四旋翼无人机的飞行原理。它是怎么实现飞行和运动的呢？如图2-1所示，一台简单的四旋翼无人机主要包括机架、电机、飞控板、螺旋桨、电池和遥控器六部分。图2-1四旋翼飞行器四旋翼飞行器的旋翼结构如图2-2所示。飞行时，以1号电机为机头，3号电机为机尾，2号和4号电机分别位于机身的左、右侧。当飞行器平衡飞行时，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转以抵消电机在高速旋转时产生的陀螺效应和空气动力扭矩效应使飞行器发生自旋。四旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），对每个自由度的控制我们都可以通过调节不同电机的转速来实现。下面逐个说明飞行器的各种飞行姿态。（1）垂直运动图2-2垂直运动时无人机受力分析图如图2-2所示，1号和3号电机逆时针旋转，2号和4号电机顺时针旋转来平衡其对机身的反扭矩。如果同时增加四个电机的转速（图中各个电机中心引出的向上箭头表示加速，若箭头向下表示减速），每个电机带动螺旋桨产生更大的升力，当合力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机转速，四旋翼飞行器则垂直下降，当旋翼产生的升力等于飞行器的自重且无外界干扰时，飞行器便可保持悬停状态。（2）俯仰运动如图2-3所示，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变（图中各个电机中心引出的向上箭头表示加速，若箭头向下表示减速，没有箭头表示速度不变）。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕Y轴旋转（方向如图2-3所示）。同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升时，机身便绕Y轴反方向旋转。实现了飞行器的俯仰运动。图2-3俯仰运动时无人机受力分析图（3）滚转运动与图2-3的原理相同，在图2-4中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕X轴旋转（正向和反向），实现飞行器的左右滚转运动。图2-4滚转运动时无人机受力分析图（4）偏航运动如图2-5所示，四旋翼飞行器偏航运动就是绕自身垂直轴Z轴旋转，可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩。为了克服反扭矩的影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的电机转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图2-5中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在不平衡反扭矩的作用下绕Z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。图2-5偏航运动时无人机受力分析图（5）前后运动如图2-6所示，增加电机3转速，使尾部拉力增大；相应减小电机1转速，使头部拉力减小；同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图2-3的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动（向后飞行与向前飞行正好相反）。当然在图2-3，图2-4中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿X、Y轴的水平运动。图2-6前后运动时无人机受力分析图（6）侧向运动在图2-7中，由于结构对称，所以侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样。图2-7侧向运动时无人机受力分析图2.2四旋翼无人机的硬件组成2.2.1机架市面上现有的无人机机架有很多种，玩家需要根据需求选择适合自己的无人机机架。机架的重量决定了无人机的基础重量，从而间接影响无人机的飞行时间和载重量的大小。笔者入门无人机时就在机架的选择上花了一番功夫，下面就让我们了解一下无人机机架吧。机架轴距：无人机轴距是指两个处于正对角位置的电机中心轴之间的距离，通常都是按照毫米计算，轴距越大代表无人机整体尺寸越大，能用的桨的尺寸也越大。对于新入门的玩家来说不适合选择轴距太大的机架，一般选择小于等于毫米轴距的机架为宜。机架分类：按照材质常分为尼龙塑胶机架、玻纤机架和碳纤维机架。（1）尼龙塑胶机架。顾名思义，它的材质是塑料。主要特点是具有一定的强度和韧性且价格便宜，禁得住磕碰摔打，很适合刚入门的玩家。如图2-8所示就是一种尼龙塑胶机架。图2-8轴距塑胶四旋翼机架（2）玻纤机架。这种机架主要是由玻璃纤维制作而成，和塑胶机架相比具有更高的强度，价格相比昂贵的碳纤维材料便宜很多，很适合对机架有更高要求的入门级玩家。如果想自己DIY一款无人机机架，玻纤材料当是不二之选。如图2-9所示就是一种玻纤机架。图2-轴距玻纤四旋翼机架（3）碳纤维机架。碳纤维相比其他两种机架具有更高的强度和刚度，而且重量更轻，因此碳纤维机架深受无人机厂商和玩家的喜爱，是当前制作无人机机架首选的材料。缺点就是价格偏高不适合刚刚入门的玩家选择，以免“炸机”后造成较大的损失。如图2-10所示是笔者自己设计的一种碳纤维机架。图2-轴距碳纤维四旋翼机架按照安装的电机数量分类有：两轴、三轴、四轴、六轴和八轴机架。其中最常见的机架类型是四轴、六轴机架。如图2-11所示就是一款六轴机架。图2-轴距塑胶六旋翼机架2.2.2飞控板飞控板是飞行控制集成电路板的简称，是无人机的核心部件，负责完成无人机的飞行控制和各种复杂的功能。飞控板的好坏直接决定了飞行器的性能和稳定性，下面就让笔者带着您了解一下飞控板的作用和种类吧。飞控板的作用（1）处理从遥控器传来的信号或者无人机的自动控制信号，根据接收到的信号做不同的处理来实现不同的功能，比如模式切换、前进、上升等。（2）控制电机的转速。飞控板通过给电调发送信号调节电机的转速，实现无人机自稳悬停或者运动飞行。（3）控制搭载的外部设备，比如云台，超声波，舵机等。常见的飞控板的种类（1）CC3D飞控：这款飞控常用于小轴距的穿越机型，因其只集成了一个STM32处理器和MPU陀螺仪传感器，所以板子小巧迷你，价格便宜。有六个通道PWM信号输出，因此最大可用于六旋翼无人机。操控方面可选择手动和自稳两种飞行模式，适合有一定飞行操作基础的人。图2-12CC3D飞控板（2）F4飞控：它是F3飞控的升级版本。现在市面上的版本不一，而主流的F4飞控集成了电压检测单元，陀螺仪、加速度计、OSD、气压计和存储卡槽等，少数版本还兼容GPS模块的安装。F4主控芯片也从F3的STM32F3升级成了运算能力更强的STM32F4，最大支持6个电调输出通道。图2-13F4飞控板（3）APM飞控：它是一款深受广大玩家喜爱的开源驾驶仪，拥有庞大的用户群体。它不仅支持多旋翼无人机，还支持固定翼、直升机、汽车、船、雷达等，具有极高的可玩性，开源资料也很丰富，玩家可以用它学习无人机、船，车的制作，学习相关源码等等。如图2-14所示为APM飞控板。图2-14APM飞控弯针版本和直针版本APM飞控主要特性如下：①免费的开源固件，共享式的源码分享。②支持固定翼、多旋翼、汽车、船、直升机等多种模式。③完全可视化操作的任务规划（可选中文或其他多国语言）。④支持多达上百个三维航点设置，可自主完成预先规划好的飞行任务。⑤强大的开源地面站支持，如MissonPlaner，QGC等。⑥可实现多种飞行模式，如自动起飞、一键返航、自主巡航、定点定高悬停、绕圈等，甚至包括特技飞行。飞行操作熟练的模友可以尝试，但建议不要轻易尝试特技。⑦完整支持Xplane和飞行半硬件仿真。APM飞控主要硬件：①三轴陀螺仪三轴加速度计MPU②高精度数字空气压力计MS-③16MB板载存储，用于存储飞行日志④三轴磁力计⑤8路PWM输入，11路模拟传感器输入，11路PWM输出（8路电调+3路云台增稳）可扩展硬件有：①OSD视屏叠加模块，可实时回传飞行器的姿态、模式、航点信息；②空速计，用于测飞行器空速；③电流计，用于检测电池电压和电池电流，计算剩余电量估算剩余飞行时间；④超声波传感器，用于测量飞行器与地面或障碍物之间的距离；⑤光流传感器，用于室内定点悬停。图2-15为APM2.8用于飞行器的接口定义。图2-15APM关于飞行器的接口定义我们初步了解了APM飞控的强大功能后，也就不难理解为什么它会拥有庞大的用户群体了。近些年随着无人机行业的快速发展，越来越多的人开始接触无人机，APM飞控也被国内的很多厂商进行修改后售卖，其价格稳定在元左右，这样的价格和它强大的功能相比真的算是物超所值了。如果你想组装一台可玩性高且性能稳定的无人机，如果你想研究无人机技术，APM飞控都是不二之选。笔者在本书的第3章“操作——四旋翼无人机的安装及调试”中就是选用的开源APM飞控，后面会有更多关于APM飞控的知识和大家一起分享。（4）PIXHAWK飞控，它是世界上最出名的开源飞控硬件厂商3DR推出的PIX系列第二代飞控系统，PIX系列的前身是APM。由于APM的八位处理器已经接近满负荷，没有办法满足更复杂的运算处理，所以硬件厂商采用了目前最新标准的32位ARM处理器。PIXHAWK是一个自带冗余设计的双处理器的飞行控制器，拥有擅长于强大运算的32bitSTM32FCortexM4核心、MHz/KBRAM/2MBFlash处理器。还有一个主要定位于工业用途的协处理器32bitSTM32F，它的特点就是安全稳定。所以就算主处理器死机了，还有一个协处理器来保障安全。它还可以支持两套GPS设备，当一套出现问题时还有一套立刻补位从而保证飞行器能更加安全地飞行。PIXHAWK主要硬件配置：①三轴16位STMicroL3GD20H陀螺仪，用于测量旋转速度。②三轴14位加速度计和磁力计，用于确认外部影响和罗盘指向。③可选择外部磁力计，在需要的时候可以自动切换。④MS气压计，用来测量高度。⑤内置电压电流传感器，用于确认电池状况。⑥可外接UBLOXLEAGPS，用于确认飞机的绝对位置。各种可扩展I/O接口和专用接口：①14个PWM舵机或电调输出。②5个UART（串口），一个支持大功率，2个有硬件流量控制。③两个CANI/O接口（一个有内部3.3V收发，一个在扩充接口上）。④兼容S.BUS输入和输出。⑤PPMsum信号输入。⑥I2C和SPI串口。⑦两个3.3V和一个6.6V电压模拟信号输入。⑧内置microUSB接口以及外置microUSB接口扩展。具有冗余设计和扩展保护的综合供电系统：①Pixhawk是由一个集成有电压电流传感器输出的协同系统供电。②良好的二极管控制器，提供自动故障切换和冗余供电输入。③可支持高压（最高10V）大电流（10A+）舵机。④所有的外接输出都有过流保护，所有的输入都有防静电保护。其他特性：①提供额外的安全按钮可以实现安全的电机激活/关闭。②LED状态指示器与驱动可以支持高亮度外接彩色LED指示灯表明飞行状态。③通过高能多种提示音的压电声音指示器可以得知实时飞行状态。④可支持带外壳与内置磁力计UBLOXGPS。图2-16PIXHAWK飞控及插口功能说明（5）NAZA(哪吒)飞控，它是DJI（大疆）公司推出的一款闭源飞控，由DJI负责相关软件的开发。由于其闭源的特性，飞控源码是不对外公开的，产品在出厂时就已经被写入调试好的默认固件了，装机后只需简单的设置就可以稳定飞行。相比开源飞控而言，闭源飞控能让用户更加专注地去探索如何飞好无人机，而不是把时间用到繁琐的调试过程中。截止目前，DJI公司N系列的飞控主要版本有Naza-M、Naza-MLite、Naza-MV2、Naza-H和N3飞控（N3飞控与之前发布的Naza系列飞控相比有质的飞跃，是介于玩家级NAZA系列和专业级A系列之间的一款飞控）。图2-17Naza-MLite飞控基本功能：①可切换三种飞行模式：手动模式（控制感度增大，使无人机更灵活快速），姿态模式（只有定高不能定位，无人机飞行时会在水平面上漂移），GPS模式（必须在室外GPS信号良好的区域使用，此时无人机可以稳定悬停）。②CF无头模式，为航向锁定/返航点锁定③支持四旋翼、六旋翼、八旋翼机型④支持远程调参，需要配合DJI的蓝牙数传⑤支持两轴云台⑥D-BUS接口，支持S-bus接收机，支持PPM接收机⑦电压检测和低电压报警⑧支持PMU扩展模块，支持IOSD，H3-2D云台，NAZA-MBTU模块等设备。图2-18NAZA-MLite飞控接线图对于不想使用类似APM复杂的开源飞控的用户来说，NAZA-MLite是不错的选择，价格方面相比DJI的其它飞控算是最低的了。下面是DJI的其它几款很好用的飞控，我们也认识一下吧。图2-19NAZA-MV2商用级航拍飞控图2-20N3专业级航拍/农业飞控
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