一、無(wú)人機(jī)種類(lèi)

近年來(lái)，由于開(kāi)源無(wú)人機(jī)飛行控制器及自動(dòng)飛機(jī)駕駛儀的不斷發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，全世界數(shù)以萬(wàn)計(jì)的優(yōu)秀人才在為開(kāi)源無(wú)人機(jī)項(xiàng)目貢獻(xiàn)代碼。使得越來(lái)越多的普通人可以輕松進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。通常，無(wú)人機(jī)分為三類(lèi)：固定翼飛機(jī)、單旋翼直升機(jī)、多旋翼直升機(jī)。在早期，固定翼飛機(jī)與直升機(jī)占有主導(dǎo)地位，近十年來(lái)多旋翼的理論日趨成熟，組裝簡(jiǎn)單，超控靈活，漸漸成為了人們喜愛(ài)的無(wú)人機(jī)。我們?cè)谶@個(gè)系列中也以多旋翼無(wú)人機(jī)為重點(diǎn)引領(lǐng)大家一起走進(jìn)無(wú)人機(jī)的世界。

固定翼飛機(jī)：依靠推進(jìn)系統(tǒng)（前拉式螺旋槳或后推式螺旋槳）產(chǎn)生前進(jìn)的動(dòng)力，從而使飛機(jī)快速前行。當(dāng)飛機(jī)獲得了前進(jìn)的速度后，由氣流的作用到飛機(jī)的翼展上（伯努利原理）產(chǎn)生上升的拉力，當(dāng)拉力大于機(jī)身重力時(shí)，飛機(jī)處于上升飛行狀態(tài)。固定翼飛的左右（橫滾）平衡依靠左右主機(jī)翼的掠角大小來(lái)調(diào)節(jié)，前后（俯仰）平衡依靠尾舵的掠角來(lái)調(diào)節(jié)，方向（航向）依靠垂向尾舵來(lái)調(diào)節(jié)，當(dāng)然，固定翼飛機(jī)的航向通常是靠橫滾和俯仰組合動(dòng)作來(lái)完成，這不是我們的主要研究方向，在這里不再贅述。優(yōu)點(diǎn)：續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，速度快。缺點(diǎn)：需要跑道，不能垂直起降。

單旋翼直升機(jī)：單旋翼直升機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)為直升機(jī)。我們?cè)谶@里所講述的單旋翼和多旋翼在機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制原理、飛行理論上有本質(zhì)的區(qū)別，請(qǐng)讀者不要混淆。單旋翼直升機(jī)（以后簡(jiǎn)稱(chēng)直升機(jī)）主動(dòng)力系統(tǒng)只有一個(gè)大型的螺旋槳，主要作用是提供飛行的上升動(dòng)力，所以當(dāng)上升動(dòng)力大于機(jī)身重力時(shí)，飛機(jī)處于上升狀態(tài)。而由于直升機(jī)只有一個(gè)主動(dòng)力槳，當(dāng)主動(dòng)力電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋槳的旋轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)機(jī)身產(chǎn)生一個(gè)反向的作用力——反扭力。在反扭力的作用下，飛機(jī)會(huì)產(chǎn)生與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反的自旋。為了解決直升機(jī)的自旋，就需要在飛機(jī)的尾部追加一個(gè)水平方向的小型螺旋槳，其產(chǎn)生的拉力主要用于抵消機(jī)身自旋，當(dāng)直升機(jī)需要改變航向時(shí)，也可以通過(guò)尾部螺旋槳來(lái)調(diào)節(jié)。除了主動(dòng)力電機(jī)與尾翼電機(jī)之外，通常還有三個(gè)舵機(jī)，用于改變主動(dòng)力槳的螺距，使機(jī)身產(chǎn)生橫滾和俯仰姿態(tài)，從而使飛機(jī)前飛、后飛或向左、向右飛行。優(yōu)點(diǎn)：可以垂直起降，空中懸停。缺點(diǎn)：續(xù)航時(shí)間短，機(jī)械結(jié)構(gòu)繁雜，操控難度大，飛行速度慢。

多旋翼直升機(jī)：由三個(gè)、四個(gè)或更多螺旋槳所組成的無(wú)機(jī)。最典型、最常見(jiàn)的就是四旋翼直升機(jī)（以后簡(jiǎn)稱(chēng)四旋翼）。四旋翼有四個(gè)軸，安裝四個(gè)螺旋槳，同樣可以由螺旋槳的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生向上的拉力實(shí)現(xiàn)垂直起降。但與直升機(jī)不同的是，多旋翼的前進(jìn)、后退、向左、向右飛行靠的是四個(gè)螺旋槳不同的轉(zhuǎn)速，而不是像直升機(jī)那樣靠改變主動(dòng)力槳的螺距，因?yàn)樗男順穆菥嗍枪潭ǖ模瑯某叽缫彩枪潭ǖ?。四旋翼的四個(gè)軸的軸距通常也是相同的，所以其動(dòng)力體系通常也是對(duì)稱(chēng)的。三旋翼、六旋翼、八旋翼或其它多旋翼除了將動(dòng)力和力矩分配到多個(gè)螺旋槳的方案不同之外，與四旋翼沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別?？梢哉f(shuō)，學(xué)習(xí)并掌握了四旋翼之后，也就可以舉一反三的懂得了其它多旋翼的原理與動(dòng)力系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：可以垂直起降，空中懸停，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作靈活。缺點(diǎn)：續(xù)航時(shí)間短，飛行速度慢。

二、航模與無(wú)人機(jī)

很多朋友喜歡飛機(jī)，也喜歡航模，但對(duì)無(wú)人機(jī)與航模沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，以為買(mǎi)一架小型多旋翼飛機(jī)，使用遙控器進(jìn)行飛行就是進(jìn)入了無(wú)人機(jī)領(lǐng)域。其實(shí)這遠(yuǎn)遠(yuǎn)還不夠。航模與無(wú)人機(jī)還是有很大差別的。下面我們就來(lái)針對(duì)這兩個(gè)內(nèi)容也做一下簡(jiǎn)要的說(shuō)明。

航空模型飛機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)航模。是一種有尺寸限制，帶有或不帶有發(fā)動(dòng)機(jī)，不能載人的飛行器。完全依賴(lài)于地面操控人員的實(shí)時(shí)控制（遙控器）。通常用于娛樂(lè)或空中比賽。與無(wú)人機(jī)的本質(zhì)區(qū)別在于航模必需依賴(lài)于飛控手的實(shí)時(shí)操控，飛機(jī)也必需要在飛控手的視線和遙控器的有效范圍以?xún)?nèi)。其組成也相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要飛機(jī)機(jī)架、動(dòng)力系統(tǒng)、簡(jiǎn)單的平衡系統(tǒng)、遙控通訊系統(tǒng)即可。

無(wú)人駕駛飛機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)人機(jī)，英文Unmaned Aerial Vehicle, UAV。也就是說(shuō)，無(wú)人機(jī)所表示的是沒(méi)有駕駛員的飛機(jī)，飛機(jī)通過(guò)機(jī)載的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)飛行的平衡進(jìn)行有效的控制，并通過(guò)預(yù)先設(shè)定或飛機(jī)自動(dòng)生成的復(fù)雜航線進(jìn)行飛行，并在飛行過(guò)程中自動(dòng)執(zhí)行相關(guān)任務(wù)和異常處理。通常無(wú)人機(jī)分為完全離線飛機(jī)與半離線飛機(jī)，完全離線飛機(jī)可完全不與地面系統(tǒng)進(jìn)行交互，自動(dòng)完成一個(gè)或多個(gè)飛行任務(wù)，并在執(zhí)行完任務(wù)之后返航或在指定地點(diǎn)降落；半離線飛機(jī)在自動(dòng)執(zhí)行飛行任務(wù)期間，可由地面系統(tǒng)（地面站）進(jìn)行指令控制，人工干預(yù)其飛行任務(wù)，并在緊急情況下執(zhí)行地面系統(tǒng)的緊急命令，例如：返航、迫降、自毀等?？梢哉f(shuō)，無(wú)人機(jī)是由機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和地面系統(tǒng)一起組合起來(lái)的可以自行完成飛行任務(wù)的無(wú)駕駛員的飛行器。從控制上講可以完全脫離地面的實(shí)時(shí)控制，其組成由飛機(jī)機(jī)架、動(dòng)力系統(tǒng)、自平衡系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、航線規(guī)劃系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)、與地面站通訊系統(tǒng)等等。從用途上講，無(wú)人機(jī)主要用于軍事用途或特殊民用。在本系列中，我們主要學(xué)習(xí)小型四旋翼無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)、控制與全自動(dòng)飛行。