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1、 四四轴轴飞飞行行器器实实践践教教程程 （内部资料） 大学霸 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 2 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 3 第 1 章 什么是飞行器 四轴飞行器是飞行器的一个类别。 我们现在先来了解一下飞行器的历史、 分类和原理等常识性内容， 再开始进入真正的四轴飞行器的制作。 1.1 飞行器的历史 人类自古到今，无时无刻不在想着怎么能让自己翱翔在广阔的天空中。从古代会飞的神仙，一直到 现在的飞机、航天飞机和人造卫星，人类一直在追求飞得更高、更快！在本书开始我们四轴飞行器的制 作之
2、前，我们先观摩一下关于飞行的历史和定义。 1.1.1 飞行器的定义 飞行器，字面意思理解为可以飞行的机器或者器械。而这里飞行可以认为是在人类生存的大气环境 中飞行。不过，同样可以广义的认为在大气外的环境中飞行。所以可这样定义：在大气层内、外飞行的 器械即为飞行器（英文名称可以为：flight vehicle，aerospace vehicle，flying machine）。一些常见的飞 行器（如图 1.1）有飞机、滑翔翼、热气球、航天飞机和人造地球卫星等。 图 1.1 飞行器举例 1.1.2 飞行器的发展 在人类历史的长河中飞行的梦想又来已久。有图 1.2 为证，不管是长了翅膀的天使，还是可
3、以腾云 驾雾的神仙，这都表明古时候人类已经十分渴望像鸟儿一样飞翔在天空中。在这飞翔渴望的驱使下，人 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 4 类一步一步的发明和创造了各种飞行器。 图 1.2 飞行愿望的表现 1.古代的飞行器古代的飞行器 在笔者看来最早的飞行器要算是在中国了。现如今，此飞行器还受光大群众的喜爱。这就是先人所 发明的风筝（如图 1.3），仅凭几个细小的竹木、薄薄的布料和一根细线，就可以乘风而起。就笔者而 言，这是人类已知的最早的飞行器。 图 1.3 风筝 而后来，在我们祖国的大陆上还出现了另外一种飞行器“孔明灯”，如图 1.4。此飞行
4、器，不 需要借助风的力量，仅需要一个燃烧的火球即可升上天空。这种飞行器可以说提供了人造动力，唯一的 缺点是不能控制飞行的方向。在飞上了天空以后，“孔明灯”只能随风而动了。细细算来，孔明灯还是 热气球的鼻祖了。 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 5 图 1.4 孔明灯 2.近代的飞行器近代的飞行器 快到近代的时候，有两位流芳千古的美国人莱特兄弟（如图 1.5）。他们开启了人类真正征服 天空的梦。莱特兄弟于 1903 年首次完成了受控制、附机载外部动力、机体比空气重、持续滞空不落地 的飞行。他们发明了全世界第一架真正能满足当时人飞行要求的飞机，他们
5、的飞机如图 1.6 中所示。 图 1.5 莱特兄弟 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 6 图 1.6 第一架飞机 在莱特兄弟的带领下，人类终于走上了征服天空的路！ 3.现当代的飞行器现当代的飞行器 到了如今飞行器的类繁多，就单单的说是飞机就有很多，如图 1.7 所示。现在，除了过去已经发明 的飞行器以外，我们还有了喷气式飞机、导弹、火箭、航天飞机和卫星等。人类的飞行器已经不再局限 于地球上飞行，它们要飞出去，遨游在太空里。 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 7 图 1.7 各种各样的飞机 4.对
6、未来飞行器的设想对未来飞行器的设想 生活在现在，看着前人飞天梦的成真，不由的要对未来生活中的飞行器做一些憧憬。下面看一些未 来的概念飞机。 图 1.8 新式超音速飞机 图 1.8 中的飞机是洛克希德马丁公司设计的超音速喷气飞机，这是一款“超音速绿色飞机”。该方 案采用了关键的倒“V”字引擎设计，这种设计可以大大降低超音速时音爆的影响。 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 8 图 1.9 芬兰航空的“太空旅馆”概念 图 1.9 是芬兰航空提出的“太空旅馆”概念，通勤飞船往返于地球和“太空旅馆”之间运送旅客。 这个 450 张床位的太空旅馆在地球上空
7、围绕地球飞行，每个周期耗时 9 小时。 1.2 飞行器的分类 看过了飞行器的历史，你会认为飞行器的历史发展很慢。不过，在这里我想说，最近的一百多年是 一个知识爆炸的年代。虽然飞行器才发展没有多长时间，但是他的种类繁多让人眼花缭乱！以下就按照 飞行器的运行环境和原理分类介绍了几种飞行器。 1.2.1 航空器 航空器是指在大气层内飞行的飞行器，主要依靠空气的静浮力或与空气进行相对运动时产生的空气 动力升空飞行。典型的例子有气球、飞艇、飞机滑翔翼、直升机、旋翼机（四轴飞行器即是旋翼机中的 一种）等。 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 9 图 1.10
8、 直升机 1.2.2 航天器 除了上面说到的飞行器，还有一些像人造地球卫星、空间探测器、载人飞船、空间站和航天飞机等 飞行器。这些飞行器主要工作或运行在大气层外太空，需要通过火箭等运算工具获得必要的速度进入大 气层外空间，并在引力的作用下，进行近似天体的轨道运动的飞行器称之为航天器。 图 1.11 是空间站的一张图。空间站是运行在外层空间的人造太空舱，广义上是航天器的一种，这是 如今人类伟大创造之一。它是人类在太空长时间滞留的一个场所。在笔者看来，现如今最伟大的飞行器 就是空间站。 图 1.11 空间站 1.2.3 火箭和导弹 火箭和导弹可以在大气层内外飞行，动力装置和飞行范围接近于航天器。火
9、箭和导弹主要靠喷射高 压气体或者其它物质给自身提供强大的动力，然后进行飞行，如图 1.12 所示。 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 10 图 1.12 火箭的发射 1.3 四轴飞行器的原理和组成 在真正开始四轴飞行器（四旋翼飞行器）的制作之前，我们先来了解一下四轴飞行器的基本组成和 原理。除了了解必要的理论原理外，还需要知道四轴飞行器的四个部分机架、飞控、传感器和电机 与电调。 1.3.1 四轴飞行器的实现原理 四轴飞行器是在空气中飞行的飞行器。为了获得廉价的动力，它只能利用空气动力，不能像火箭一 样飞行。所以四轴飞行器的动力、偏航的动作只能
10、依靠与空气的作用来实现。如图 1.13 是四轴飞行器的 力学简化图（四轴飞行器有两种模式，这里只举其中一种为例）。 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 11 图 1.13 四轴飞行器简化力学图 图 1.13 中的F1、F2、F3和F4的大小由桨的转速决定。转速越大力越大，转速越小力越小，这样通过 控制四个力的大小变化就可以实现四轴飞行器的前进、后退、转向（偏航）和旋转。 1.3.2 四轴飞行器的安装平台机架 在四轴飞行器中机架（如图 1.14）相当于人体的骨骼，机架决定了飞行器的主体结构。机架是飞行 器的基础平台，电机、电调和飞控板（飞行控制器）
11、等设备都要安装在机架上面。机架的主要作用如下： 图 1.14 机架 提供安装接口。这些接口包括安装和固定电机、电调、飞控板的螺丝孔。 提供整体的稳定和坚固的平台。飞行器飞行过程中需要一个稳定坚固的平台，这样可以使得电 机转动过程中不会毁坏其他设备，并为传感器提供一个稳定平台。 起落架等缓冲装备。这些可以在为飞行器提供安全的起飞和降落条件，避免损坏其它仪器。 保证足够低的质量（重量）。这样就可以给其他控制设备提供更多的余量。 提供相应的保护装置。这里的保护装置用于保护飞行器本身，和可能接触到的操作人员。因为 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 12
12、 飞行过程中会存在各种不可预知的情况，一定的保护措施可以保护器械和其他人员，减少不必 要的损失。 1.3.3 四轴飞行器的控制系统飞行控制器 飞行控制器也可以称为飞控（如图 1.15）。其主要作用是处理飞行参数，也就是说飞行器飞行过程 中的稳定和运动方向都由飞控来控制。所以飞控是四轴飞行器的核心部件，他的性能直接决定了四轴飞 行器的性能。 同时， 如果要安装其他扩展功能时都需要与飞控交换数据， 这样才能提供更好的辅助功能。 图 1.15 飞行控制器 具体来说，四轴飞行器的飞控板的功能有两点：第一，接受来自遥控器的信号，控制电调的输出， 进而调整螺旋桨的转速来调节飞行器起飞、悬停、俯仰、滚转、偏
13、航、降落等动作；第二，通过板载的 一系列测量元件，在起无控制的情况下，通过电调输出，控制四轴飞行器稳定，保证一定的高度。 飞控板可以购买现成的完整板，同样也可以自己制作，但是需要懂得相应的编程和电子电路知识。 1.3.4 四轴飞行器的动力电机与电调 电调（如图 1.16）的全称为电子调速器（Electronic Speed Controller，ESC）。飞控可以通过控制电 调来达到控制电机转速的快慢，从而实现控制飞行器的飞行姿态。 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 13 图 1.16 电调 电机（如图 1.17）是四轴飞行器的主要动力来源，同
14、时也跟飞行器的飞行姿态密切相关。电机的转 速快慢决定了飞行器可以承载的重量，同时其转速改变的快慢可以影响飞行器姿态的变换。 图 1.17 电机（未组装） 1.3.5 四轴飞行器的传感器 传感器是四轴飞行器感知世界的仪器，每个飞行器要想达到很好的飞行姿态，就必须有一个或多个 传感器。首先，要想实现四轴飞行器飞行必须安装的传感器是陀螺仪（如图 1.18），陀螺仪可以提供飞 行时的平衡参数。这里的平衡参数可以告知飞控现在飞行器平衡状态，或者可以说是告诉飞控现在飞行 器的机架与水平面的关系。通过这些参数，飞控可以控制飞行器平稳飞行。如果你要想四轴飞行器有更 四轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 四
15、轴飞行器实践教程（内部资料） 版权所有 14 好更稳定的飞行状态，还需要加速度传感器提供额外的参数抵消掉陀螺仪参数计算时的误差。而现在有 了集合了陀螺仪和加速度传感器的装置如图 1.19 就是其中一种。这个样对于飞控板的开发更加更加方 便，而且节省了更多空间。 图 1.18 陀螺仪示例 图 1.19 MPU-6050 除了上面提到的陀螺仪和加速度传感器是必须加装在四轴飞行器上外，我们还可以添加一些自己需 要他传感器或其他硬件。这些传感器可以是：超声波传感器（图 1.20），使四轴飞行器识别与物体的距 离，避免撞上其他物体；摄像头，通过图像识别软件识别物体，可以让飞行器接受图像指令实现相应操 作，可以识别人体。 图 1.20 超声波传感器 图 1.21 红外传感器
