揭開多旋翼無人機的神秘面紗（下）

姜連濤

（接上期）

無人機飛控系統的核心是飛行控制器，簡稱飛控，也叫自駕儀，即自動駕駛儀，它的存在是無人機與航模不同的根本原因。飛控系統是無人機的大腦，無人機所能實現各種功能都有賴于它的性能（如圖1）。

無人機飛控系統有兩個最重要的功能。第一個功能是穩定飛機的姿態，就像人一樣，人類耳朵里面有個結構叫半規管，如果你在原地快速轉上好幾圈，是不是會覺得天旋地轉？那就是因為你人停下了，半規管還沒有恢復原狀。多旋翼無人機作為空中機器人，要穩定姿態，也需要這樣類似的結構，那就是陀螺儀，配合著一些其他傳感器，比如通過測量氣壓來保持飛機高度的氣壓計，無人機就可以知道自身當前的狀態，并且做出相應調整來保持自身的穩定。圖2所示為機械陀螺儀，這么大的陀螺儀顯然沒有辦法放在無人機小巧的機身內，目前無人機所用陀螺儀已經是電子的了，如圖3所示的就是電子三軸陀螺儀。

無人機飛控系統的第二個功能就是自動駕駛功能，也就是在設定好起點和終點之后，無人機可以在沒有人參與的情況下，自動從起點飛到終點。實現這個功能最重要的部件是什么呢？就是衛星導航模塊。像我們手機的導航軟件一樣，無人機的衛星導航模塊可以讓無人機知道自己當前在哪里，要去哪里。飛控系統知曉這些之后，就會控制相應的電機，使無人機向目的地飛去。

我們來總結一下，陀螺儀就像人的半規管，而飛控就像是大腦，電機、電調就是無人機的手腳。這三個部分相互配合，共同造就了無人機的機器人屬性。

鏈路系統就好比放飛風箏時，你和風箏之間的那根線，風箏要飛向哪里，都是由你拉扯線來決定的。無人機要飛向哪里，也需要這樣的一根“線”，只不過這根線是看不見的。那么，無人機是使用什么設備來實現這個“線”的功能呢？就是通過遙控器和接收機。遙控器即發射機，我們叫它“控”，用來發射信號；接收機安裝在無人機上，用來接收信號，遙控器和接收機需要配對使用，這條鏈路主要用于在視距內控制飛機，如圖5所示。遙控器發射哪些控制信號是由飛手來決定的，所以飛手操作技術的好壞，會直接影響無人機的飛行狀態。這就要求我們在飛行之前耐心地練習自己的無人機飛行控制技術，做到心中有數，手上有準，保證飛行安全和飛行質量。

遙控器現在已廣泛地應用于各種類型的民用無人機上。無人機在起飛和降落過程中主要通過遙控器手動控制來完成，并且在視距范圍內自動駕駛時，如果無人機出現異常狀況，也需要迅速切換到手控狀態。所以，遙控器是十分重要的設備，我們在學習無人機飛行時，使用遙控器控制無人機是最基礎的技能。接下來，我們詳細講解一下無人機遙控器。

無人機遙控器（如圖6）外部一般會有一根天線，遙控指令都是通過遙控器上的搖桿、開關和旋鈕來控制產生，通過天線發射出去的。遙控器最重要的標志是通道數量，有幾個通道，就表示遙控器可以控制飛行器幾個動作，多旋翼無人機的基本動作有升降運動（無人機上升下降），俯仰/前后運動（無人機前后飛行），橫滾/側向運動（無人機左右飛行），偏航運動（無人機左轉右轉），所以無人機遙控器最低要求有四個通道，這四個通道實際上是遙控器上的兩個搖桿，每個搖桿可以前后左右移動，正好對應著兩個通道，兩個搖桿就是四個通道。除了這些之外，實際使用中還需要預留出一些額外通道來控制其他的部件或狀態，比如飛行模式、一鍵返航、收放起落架等。

遙控器根據四個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），日本手有時候也會直接簡稱右手油門，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別呢？日本式手法是由右手前后推拉控制無人機升降運動，右手左右控制無人機橫滾/側向運動；左手前后推拉來控制無人機俯仰/前后運動，左手左右控制無人機的偏航運動，如圖7。而美國式手法則是右手前后控制無人機俯仰/前后運動，左右控制無人機橫滾/側向運動；左手前后控制無人機升降運動，左手左右控制無人機偏航運動，如圖8。日本手和美國手主要的區別就是把右手前后的功能和左手前后的功能進行了對調，那么為什么會這樣呢？

我們知道美國的航空業發展很早，很多人都是先飛有人機才飛航模的，所以美國人在飛航模的時候就把有人機的控制方法對應到了遙控器上。但是美國手對于新手來說有個小問題，副翼和升降舵是最頻繁操作的兩個舵面，但都在右手，右手忙活，左手卻可能沒事干。所以日本人對遙控器做了改良，將這兩個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調，這就成了日本手。日本手把飛機前后和左右的控制放在了兩個手來控制，看似把任務平均分配了，但是卻不如美國手方便理解。所以對于新手而言，美國手的初學者明顯要比日本手初學者進步得快。但在漫長的練習學習過程中，這一差距會慢慢縮小，不管使用的是哪一種操作手法，都可以達到很高的技術水平。

無人機可以自主飛行，甚至超視距飛行，而且在飛行過程中不需要人實時操控，這個功能又是通過什么實現的呢？這就涉及另外一條鏈路了，它叫作數傳鏈路。這一鏈路有兩個設備，一個是連接在地面控制站上的地面端，一個是安裝在無人機上的機載端（如圖9所示）。我們通過數傳鏈路將飛行任務上傳給飛控，飛控接收到之后就可以按照設計好的飛行任務自主飛行了。在飛行過程中，機載端還會將無人機的實時狀態，比如高度、速度、位置、電量等信息回傳給地面控制站，飛手只需要實時監控飛行狀態，處理突發狀況。這就大大地解放了我們的雙手，降低了勞動強度。

目前，無人機最重要的用途是用來航拍，用做航拍的多旋翼無人機還有第三條鏈路，就是我們常說的圖傳。在無人機上有一個圖傳發射模塊，地面有一個圖傳接收模塊，圖傳發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，就可以看到飛機當前拍到的圖像了（如圖10所示）。這就使我們在飛行中可以實時地看到無人機在空中拍攝到的景象，有一種身臨其境的感覺！

無人機之所以在近些年得到廣泛應用，主要是因為無人機可以幫助人們工作，比如航拍、植保、航測、應急救災等。無人機說到底就是一個平臺載具，就像汽車一樣，沒有掛載任務設備的無人機是沒辦法工作的。

以最常見的航拍為例，是將無人機掛載上相機，這個相機可以有很多種，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）。無人機目前雖然飛行十分穩定，但是在低空飛行時，會遇到非常多的亂流，如果將相機直接掛載到機身上，拍出的畫面將會非常抖動，無法觀看。于是，人們就設計出一個平臺，專門用來抵消這些抖動，使相機保持穩定，這就是云臺。

任務設備有許多種，可以這樣說，你想讓無人機做什么樣的工作，就可以把相應的設備掛載到無人機上，當然你要考慮設備的重量是不是無人機所能承受的。

講到這里，我們已經將多旋翼無人機系統的關鍵部件向大家介紹完了，那么這些部件之間的連接關系是怎樣的呢？其實如果你善于總結，在上面幾小節的學習過程中，應該能總結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一下無人機各部件之間的連接關系，這里我們只列出無人機最關鍵的遙控鏈路、飛控系統和動力系統之間的連接，對于數傳鏈路和圖傳鏈路我們將在后面的內容中介紹。

如圖12所示，我們以動力系統中的一路為例，從遙控指令開始，有順序地了解部件間的連接關系，這樣十分容易理解，不用死記硬背。當我們操作遙控器上的搖桿或者撥桿時，遙控器將會發出無線電信號，無人機上的接收機在收到信號之后會將信號指令傳送給無人機的大腦——飛控。飛控中的微處理器會進一步處理信號，并且根據信號將指令發送給電調，電調控制電機加速或者減速，電機帶動著螺旋槳，由于轉速的變化，飛機的姿態以及飛行軌跡相應地就會產生變化。當這一切發生的時候，千萬不能忘記還需要動力電池提供能量，動力電池的能量將直接輸送給電調，電調將這些能量提供給電機，讓電機有充分的力量旋轉。講到這里，不知道聰明的你是不是會有一個問題，那就是：飛控和接收機的能量是誰供應的呢？飛控和接收機的能量其實也可以使用動力電池提供，但是需要將電壓降低，以防燒毀飛控和接收機；另一個供能的方法是使用電子調速器反向給飛控供電。

好了，講到這里，你是不是對多旋翼無人機系統了解得更深入了呢？

對于一架軸距為450mm的四旋翼無人機來說，飛行時，螺旋槳的轉速可達到每分鐘7000～8000轉，旋轉的螺旋槳鋒利得就像刀。所以，大家在飛無人機時，一定要十分小心，不能讓無人機與人距離太近，盡量給螺旋槳裝上槳保護罩，保障安全最重要！

（編輯 孫世奇）