揭開多旋翼無人機(jī)的神秘面紗（下）

姜連濤

（接上期）

無人機(jī)飛控系統(tǒng)的核心是飛行控制器，簡稱飛控，也叫自駕儀，即自動(dòng)駕駛儀，它的存在是無人機(jī)與航模不同的根本原因。飛控系統(tǒng)是無人機(jī)的大腦，無人機(jī)所能實(shí)現(xiàn)各種功能都有賴于它的性能（如圖1）。

無人機(jī)飛控系統(tǒng)有兩個(gè)最重要的功能。第一個(gè)功能是穩(wěn)定飛機(jī)的姿態(tài)，就像人一樣，人類耳朵里面有個(gè)結(jié)構(gòu)叫半規(guī)管，如果你在原地快速轉(zhuǎn)上好幾圈，是不是會(huì)覺得天旋地轉(zhuǎn)？那就是因?yàn)槟闳送Ｏ铝?，半?guī)管還沒有恢復(fù)原狀。多旋翼無人機(jī)作為空中機(jī)器人，要穩(wěn)定姿態(tài)，也需要這樣類似的結(jié)構(gòu)，那就是陀螺儀，配合著一些其他傳感器，比如通過測(cè)量氣壓來保持飛機(jī)高度的氣壓計(jì)，無人機(jī)就可以知道自身當(dāng)前的狀態(tài)，并且做出相應(yīng)調(diào)整來保持自身的穩(wěn)定。圖2所示為機(jī)械陀螺儀，這么大的陀螺儀顯然沒有辦法放在無人機(jī)小巧的機(jī)身內(nèi)，目前無人機(jī)所用陀螺儀已經(jīng)是電子的了，如圖3所示的就是電子三軸陀螺儀。

無人機(jī)飛控系統(tǒng)的第二個(gè)功能就是自動(dòng)駕駛功能，也就是在設(shè)定好起點(diǎn)和終點(diǎn)之后，無人機(jī)可以在沒有人參與的情況下，自動(dòng)從起點(diǎn)飛到終點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能最重要的部件是什么呢？就是衛(wèi)星導(dǎo)航模塊。像我們手機(jī)的導(dǎo)航軟件一樣，無人機(jī)的衛(wèi)星導(dǎo)航模塊可以讓無人機(jī)知道自己當(dāng)前在哪里，要去哪里。飛控系統(tǒng)知曉這些之后，就會(huì)控制相應(yīng)的電機(jī)，使無人機(jī)向目的地飛去。

我們來總結(jié)一下，陀螺儀就像人的半規(guī)管，而飛控就像是大腦，電機(jī)、電調(diào)就是無人機(jī)的手腳。這三個(gè)部分相互配合，共同造就了無人機(jī)的機(jī)器人屬性。

鏈路系統(tǒng)就好比放飛風(fēng)箏時(shí)，你和風(fēng)箏之間的那根線，風(fēng)箏要飛向哪里，都是由你拉扯線來決定的。無人機(jī)要飛向哪里，也需要這樣的一根“線”，只不過這根線是看不見的。那么，無人機(jī)是使用什么設(shè)備來實(shí)現(xiàn)這個(gè)“線”的功能呢？就是通過遙控器和接收機(jī)。遙控器即發(fā)射機(jī)，我們叫它“控”，用來發(fā)射信號(hào)；接收機(jī)安裝在無人機(jī)上，用來接收信號(hào)，遙控器和接收機(jī)需要配對(duì)使用，這條鏈路主要用于在視距內(nèi)控制飛機(jī)，如圖5所示。遙控器發(fā)射哪些控制信號(hào)是由飛手來決定的，所以飛手操作技術(shù)的好壞，會(huì)直接影響無人機(jī)的飛行狀態(tài)。這就要求我們?cè)陲w行之前耐心地練習(xí)自己的無人機(jī)飛行控制技術(shù)，做到心中有數(shù)，手上有準(zhǔn)，保證飛行安全和飛行質(zhì)量。

遙控器現(xiàn)在已廣泛地應(yīng)用于各種類型的民用無人機(jī)上。無人機(jī)在起飛和降落過程中主要通過遙控器手動(dòng)控制來完成，并且在視距范圍內(nèi)自動(dòng)駕駛時(shí)，如果無人機(jī)出現(xiàn)異常狀況，也需要迅速切換到手控狀態(tài)。所以，遙控器是十分重要的設(shè)備，我們?cè)趯W(xué)習(xí)無人機(jī)飛行時(shí)，使用遙控器控制無人機(jī)是最基礎(chǔ)的技能。接下來，我們?cè)敿?xì)講解一下無人機(jī)遙控器。

無人機(jī)遙控器（如圖6）外部一般會(huì)有一根天線，遙控指令都是通過遙控器上的搖桿、開關(guān)和旋鈕來控制產(chǎn)生，通過天線發(fā)射出去的。遙控器最重要的標(biāo)志是通道數(shù)量，有幾個(gè)通道，就表示遙控器可以控制飛行器幾個(gè)動(dòng)作，多旋翼無人機(jī)的基本動(dòng)作有升降運(yùn)動(dòng)（無人機(jī)上升下降），俯仰/前后運(yùn)動(dòng)（無人機(jī)前后飛行），橫滾/側(cè)向運(yùn)動(dòng)（無人機(jī)左右飛行），偏航運(yùn)動(dòng)（無人機(jī)左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)），所以無人機(jī)遙控器最低要求有四個(gè)通道，這四個(gè)通道實(shí)際上是遙控器上的兩個(gè)搖桿，每個(gè)搖桿可以前后左右移動(dòng)，正好對(duì)應(yīng)著兩個(gè)通道，兩個(gè)搖桿就是四個(gè)通道。除了這些之外，實(shí)際使用中還需要預(yù)留出一些額外通道來控制其他的部件或狀態(tài)，比如飛行模式、一鍵返航、收放起落架等。

遙控器根據(jù)四個(gè)基本通道在搖桿上的不同分布，分成了四種操作手法，目前最常用的是日本手（Mode1）和美國手（Mode2），日本手有時(shí)候也會(huì)直接簡稱右手油門，美國手簡稱為左手油門，甚至直接說左手或右手。這兩種操作手法有什么區(qū)別呢？日本式手法是由右手前后推拉控制無人機(jī)升降運(yùn)動(dòng)，右手左右控制無人機(jī)橫滾/側(cè)向運(yùn)動(dòng)；左手前后推拉來控制無人機(jī)俯仰/前后運(yùn)動(dòng)，左手左右控制無人機(jī)的偏航運(yùn)動(dòng)，如圖7。而美國式手法則是右手前后控制無人機(jī)俯仰/前后運(yùn)動(dòng)，左右控制無人機(jī)橫滾/側(cè)向運(yùn)動(dòng)；左手前后控制無人機(jī)升降運(yùn)動(dòng)，左手左右控制無人機(jī)偏航運(yùn)動(dòng)，如圖8。日本手和美國手主要的區(qū)別就是把右手前后的功能和左手前后的功能進(jìn)行了對(duì)調(diào)，那么為什么會(huì)這樣呢？

我們知道美國的航空業(yè)發(fā)展很早，很多人都是先飛有人機(jī)才飛航模的，所以美國人在飛航模的時(shí)候就把有人機(jī)的控制方法對(duì)應(yīng)到了遙控器上。但是美國手對(duì)于新手來說有個(gè)小問題，副翼和升降舵是最頻繁操作的兩個(gè)舵面，但都在右手，右手忙活，左手卻可能沒事干。所以日本人對(duì)遙控器做了改良，將這兩個(gè)最頻繁操作的舵面分開，把美國手右手控制的升降舵和左手控制的油門對(duì)調(diào)，這就成了日本手。日本手把飛機(jī)前后和左右的控制放在了兩個(gè)手來控制，看似把任務(wù)平均分配了，但是卻不如美國手方便理解。所以對(duì)于新手而言，美國手的初學(xué)者明顯要比日本手初學(xué)者進(jìn)步得快。但在漫長的練習(xí)學(xué)習(xí)過程中，這一差距會(huì)慢慢縮小，不管使用的是哪一種操作手法，都可以達(dá)到很高的技術(shù)水平。

無人機(jī)可以自主飛行，甚至超視距飛行，而且在飛行過程中不需要人實(shí)時(shí)操控，這個(gè)功能又是通過什么實(shí)現(xiàn)的呢？這就涉及另外一條鏈路了，它叫作數(shù)傳鏈路。這一鏈路有兩個(gè)設(shè)備，一個(gè)是連接在地面控制站上的地面端，一個(gè)是安裝在無人機(jī)上的機(jī)載端（如圖9所示）。我們通過數(shù)傳鏈路將飛行任務(wù)上傳給飛控，飛控接收到之后就可以按照設(shè)計(jì)好的飛行任務(wù)自主飛行了。在飛行過程中，機(jī)載端還會(huì)將無人機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，比如高度、速度、位置、電量等信息回傳給地面控制站，飛手只需要實(shí)時(shí)監(jiān)控飛行狀態(tài)，處理突發(fā)狀況。這就大大地解放了我們的雙手，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

目前，無人機(jī)最重要的用途是用來航拍，用做航拍的多旋翼無人機(jī)還有第三條鏈路，就是我們常說的圖傳。在無人機(jī)上有一個(gè)圖傳發(fā)射模塊，地面有一個(gè)圖傳接收模塊，圖傳發(fā)射模塊是將攝像頭拍到的圖像傳輸給地面的接收模塊，只要把地面的接收模塊連接在顯示器上，就可以看到飛機(jī)當(dāng)前拍到的圖像了（如圖10所示）。這就使我們?cè)陲w行中可以實(shí)時(shí)地看到無人機(jī)在空中拍攝到的景象，有一種身臨其境的感覺！

無人機(jī)之所以在近些年得到廣泛應(yīng)用，主要是因?yàn)闊o人機(jī)可以幫助人們工作，比如航拍、植保、航測(cè)、應(yīng)急救災(zāi)等。無人機(jī)說到底就是一個(gè)平臺(tái)載具，就像汽車一樣，沒有掛載任務(wù)設(shè)備的無人機(jī)是沒辦法工作的。

以最常見的航拍為例，是將無人機(jī)掛載上相機(jī)，這個(gè)相機(jī)可以有很多種，可以是小型的攝像頭，也可以是微單，甚至可以是單反（如圖11）。無人機(jī)目前雖然飛行十分穩(wěn)定，但是在低空飛行時(shí)，會(huì)遇到非常多的亂流，如果將相機(jī)直接掛載到機(jī)身上，拍出的畫面將會(huì)非常抖動(dòng)，無法觀看。于是，人們就設(shè)計(jì)出一個(gè)平臺(tái)，專門用來抵消這些抖動(dòng)，使相機(jī)保持穩(wěn)定，這就是云臺(tái)。

任務(wù)設(shè)備有許多種，可以這樣說，你想讓無人機(jī)做什么樣的工作，就可以把相應(yīng)的設(shè)備掛載到無人機(jī)上，當(dāng)然你要考慮設(shè)備的重量是不是無人機(jī)所能承受的。

講到這里，我們已經(jīng)將多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件向大家介紹完了，那么這些部件之間的連接關(guān)系是怎樣的呢？其實(shí)如果你善于總結(jié)，在上面幾小節(jié)的學(xué)習(xí)過程中，應(yīng)該能總結(jié)出這些部件之間是怎么連接的，可以試著自己畫一下！

我們用一張圖來總結(jié)一下無人機(jī)各部件之間的連接關(guān)系，這里我們只列出無人機(jī)最關(guān)鍵的遙控鏈路、飛控系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)之間的連接，對(duì)于數(shù)傳鏈路和圖傳鏈路我們將在后面的內(nèi)容中介紹。

如圖12所示，我們以動(dòng)力系統(tǒng)中的一路為例，從遙控指令開始，有順序地了解部件間的連接關(guān)系，這樣十分容易理解，不用死記硬背。當(dāng)我們操作遙控器上的搖桿或者撥桿時(shí)，遙控器將會(huì)發(fā)出無線電信號(hào)，無人機(jī)上的接收機(jī)在收到信號(hào)之后會(huì)將信號(hào)指令傳送給無人機(jī)的大腦——飛控。飛控中的微處理器會(huì)進(jìn)一步處理信號(hào)，并且根據(jù)信號(hào)將指令發(fā)送給電調(diào)，電調(diào)控制電機(jī)加速或者減速，電機(jī)帶動(dòng)著螺旋槳，由于轉(zhuǎn)速的變化，飛機(jī)的姿態(tài)以及飛行軌跡相應(yīng)地就會(huì)產(chǎn)生變化。當(dāng)這一切發(fā)生的時(shí)候，千萬不能忘記還需要?jiǎng)恿﹄姵靥峁┠芰?，?dòng)力電池的能量將直接輸送給電調(diào)，電調(diào)將這些能量提供給電機(jī)，讓電機(jī)有充分的力量旋轉(zhuǎn)。講到這里，不知道聰明的你是不是會(huì)有一個(gè)問題，那就是：飛控和接收機(jī)的能量是誰供應(yīng)的呢？飛控和接收機(jī)的能量其實(shí)也可以使用動(dòng)力電池提供，但是需要將電壓降低，以防燒毀飛控和接收機(jī)；另一個(gè)供能的方法是使用電子調(diào)速器反向給飛控供電。

好了，講到這里，你是不是對(duì)多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)了解得更深入了呢？

對(duì)于一架軸距為450mm的四旋翼無人機(jī)來說，飛行時(shí)，螺旋槳的轉(zhuǎn)速可達(dá)到每分鐘7000～8000轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的螺旋槳鋒利得就像刀。所以，大家在飛無人機(jī)時(shí)，一定要十分小心，不能讓無人機(jī)與人距離太近，盡量給螺旋槳裝上槳保護(hù)罩，保障安全最重要！

（編輯 孫世奇）