飞行原理

多旋翼飞行器如何飞在天空中？

同普通电风扇原理相同，电机连接螺旋桨通过高速转动切割空气使其产生向下的气流，同时产生向上的升力，当升力大于飞行器本身的重力时，飞行器就可以实现上升的动作，反之下降；当升力等于于飞行器本身的重力时，则飞行器处于悬停状态。

多旋翼飞行器如何控制各个方向的运动？

多旋翼飞行器是通过调节多个电机转速来改变螺旋桨转速，实现升力的变化，实现4个方向上的运动，分别为：垂直、俯仰、横滚和偏航。进而达到飞行姿态控制的目的。

垂直运动：

通过调节四个电机转速，同时产生向上的升力，当升力大于飞行器本身的重力时，飞行器就可以实现上升的动作，反之下降；当升力等于于飞行器本身的重力时，则飞行器处于悬停状态。

俯仰及横滚运动：

通过调节前后部分电机转速，使飞行器向前倾斜，产生的下压气流与地面呈一定角度， 此时飞行器除了产生抵消重力的升力外，还提供一部分向后方向的推力，产生的反作用力推动飞行器向前飞行。同样的，横滚飞行也只需对飞行器的姿态作出相应的调整即可。

偏航运动：

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，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。当需要进行偏航运动时，飞行器通过调整两对对角线上相同转向的电机转速，产生顺/逆时针方向的反扭力，随后机身便在富余反扭矩的作用下绕机身重心顺/逆时针转动，从而实现飞行器的偏航运动。

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无人机: 螺旋桨

而对于螺旋桨来说，我们知道桨的叶片与转动平面是有一个夹角的，所以在转动时才会对空气产生推力。而这正因为这个夹角的存在，我们就可以对这个夹角做度量，为其测量螺距。我们假设螺旋桨与螺丝钉一样延着螺旋线转动并延伸下去，如下图：

通常在中心向外2 / 3 处测量桨叶宽度，称为桨的弦长：

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无人机: 电池

基本概念及参数

锂聚合物电池，英文LI—polymer，简称LIPO，是一种能量密度高、放电电流大的新型电池。同时，锂电池使用起来相对脆弱，对过充过放都极其敏感，在使用中应该熟练了解其使用性能。锂聚合物电池充电和放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程，充电时锂离子由负极脱离嵌入正极，而在放电时，锂离子脱离正极嵌入负极。一旦锂聚合物电池放电导致电压过低或者充电电压过高，正负极的结构将会发生坍塌，导致锂聚合物电池受到不可逆的损伤。

主要参数 :

• 放电截止电压2.75V

​ 电芯安全放电的最低电压，低于此电压继续放电将会对电池性能产生损伤。

• 充电截止电压4.20V

​ 电芯安全充电的最高电压，高于此电压继续充电将会对电池性能产生损伤。

• 标准电压3.7V

​ 电芯的标准标称电压，也是我们在计算电压时所使用的参数。

• 储存电压3.85V

​ 适合于长期储存的电压，锂电池具有自放电低的特点，但在长期存放时仍然会有部分自放电导致电压降低，所以应以高于3.7V的电压进行存储。

• S数

​ S是指电池的串联数量。我们在称呼电池的电压时，通常称之为多少S，S是电池串联的数量，例如12S的锂电池，实际是指其串联了12块电芯，锂电池单片电池标准电压为3.7V，其电 压为3.7*12=44.4V。

• P数

​ P是指该电池并联的数量，比如3S1P，指的是电池没有并联；而3S2P，实际上该电池是由6块电池并串连而构成的。

• 内阻

​ 欧姆内阻主要是指由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成，与电池的尺寸、结构、装配有关。电池的内阻很小，我们一般用毫欧的单位来定义。内阻越小的电池放电能力越强，内阻越大的电池放电能力越弱。

• C数

​ 电池的放电倍率

• 容量

​ 电池的容量用mAh或者Ah来表示，是指电池以某个电流持续放电1小时。

6S/5000mAh/20C/3C

6S: 6块 5000mAh: 电池容量

20C: 最大放电电流 20*5000mA = 100A

3C: 正常放电电流 3*5000mA = 15A

S : 串联

P: 并联

3S2P 电芯 电压:3.7V 容量: 2600mAh

PACK :

• 电压: 3.7*3 = 11.1V
• 容量: 2600mAh * 2 = 5200mAh

锂电池的使用及维护

注意，锂聚合物电池性能总体相对“娇嫩”，必须严格按照正确的方法进行使用和维护，否则容易产生鼓包膨胀，导致电池不可逆的损伤。

1. 避免过充与过放，过充与过放都将大大降低锂电池使用寿命。放电不能低于2.75V，而充电不可高于4.20V。

2. 避免长时间满电存放，在充满电的情况下，应在一周内使用，或者将其放电至3.7-3.8V。

3. 长时间存放，存放温度建议在0-25°C，建议将电池电压保持在3.85V，并每隔一个月对电池进行一次完整的充放以保持电池的活性。

   避免超出电池负载能力进行放电，否则电池将严重发热。

4. 避免电池发生跌落，如果发生跌落，有可能造成电池内部短路而引起电池自然。

5. 锂电池在大电流使用完毕后，会有一定的发热，应将电池冷却20-30分钟在进行充电，否则将影响电池寿命。

6. 锂电池长期使用大C数充电，相较于长期使用低C数充电的锂电池，寿命会更低。

低温对锂电池放电的影响

环境温度对于飞行器的影响，主要是改变聚合物锂电池的充放电性能，锂聚合物电池属于化学电池，其充放电过程就是其内部进行化学反应的过程，低温将使电池的反应速率下降，从而造成续航时间、放电功率改变、电压骤降和飞行动力不足。下面是一款电池的不同温度下放电电压示意图，电池温度越低，起飞后电芯电压越低，待电池温度上升后，电压慢慢恢复正常。

基于此，如需在较低温度下进行飞行，请做到以下几点：

1. 飞行前，务必将电池充满电，保证电池处于高电压状态。

2. 将电池充分预热至25度以上，降低电池内阻。建议使用电池预热器，对电池进行预热。

3. 起飞后保持飞机悬停1 min左右，让电池利用内部发热，让自身充分预热，降低电池内阻。

   

冬季电池注意事项

伴随冬季的来临，气温的下降，冬季的飞行需要格外的注意。由于近期有用户遇到各种冬季飞行的问题，如电压骤降、飞行动力不足，甚至更为严重的飞行器坠机情况。

锂电池工作机理：

飞行器以锂电池为动力，低温环境会严重降低锂电池的性能。当电池暴露低于15°C的环境下时，电池的化学物质活性显著降低，其内阻增大导致放电能力降低，电池放电时电压降加大。电压大幅下降（单电芯低于3V）会有两大风险：

第一，飞行器动力系统最大推力不足以维持飞行； 第二，电池会主动关机以避免电芯过放。这种特性是锂电池的通病，目前仍没有完美的解决方法。

大家使用的手机，平板电脑等智能设备，在低温环境下也同样会关机。

无人机锂电池飞行原理： 自重较大的飞行器，如Inspire 1 Pro相比Inspire 1，本身就需要更大的电流来维持动力；飞行器持续大机动飞行，如满油门爬升时，电池会持续大电流放电；高原地区，由于空气稀薄，气压低，飞行器需要更高的电机转速来维持动力，电池输出电流会进一步加大。以上情况，加之冬日的低温，使电池压降进一步加大；严重时，甚至会导致电池因电压不足而关机，造成飞行器断电坠机。

以PHANTOM3 电池为例，在不同温度条件下，飞机实际使用工况放电电压曲线示意图如图所示。电池温度越低，起飞后电芯电压越低，待电池温度上升后，电压慢慢恢复正常。

如果低电量起飞，此时电池起始电压偏低，同时电池本体温度偏低，电压会被迅速拉低，大大增加电压不足的风险。因此我们一直强调满电量飞行。

充电器

充电器的基本参数

输入电压完整的锂电池平衡充电器其内部应至少含有两部分，一部分为交流转直流并降压电路，一路为平衡充电电路。对于完整的平衡充电器，其输入电压往往是市电交流220V，或者是110V交流。

充电输出功率

充电输出功率的计算方式应为：

             输出电压  X  输出电流  =  输出功率。

例如，MG-1充电器单路输出功率为：

                50.4V   X   24A  =  1209.6W

充电输出电流

充电时，由充电器输出到充电电池的电流，动力锂聚合物电池常用的充电倍率为1C，例如一款电池容量为2200MAH，其1C充电电流为：

                       2200MAH  X  1C  =  2200MA

其1C充电电流为2.2A.

放电电流

锂电池平衡充电器普遍拥有放电功能，放电电流是指充电器进行放电的电流。例如MG-1充电器的放电电流为2.5A。

充电方式

目前锂电池充电方式主要为串充+平衡充，少量为全程平衡充。串充是指忽视每片电芯的细微差别直接进行大电流充电，例如对一块3S电池进行充电，直接给以12.6V电压进行充电，这种充电方式可以快速地进行充电。而平衡充电是指对每一片电芯进行单独充电，直至其单片达到4.2V。

MG-1充电器的充电方式是首先用串充完成95%的充电，然后在用平衡充电的方式完成最后5%的充电。

充电效率

电流由交流转换到直流过程中会产生损耗，而直流在进行降压或者升压过程中也会产生损耗，充电效率的意义是：

            输出功率 ÷ 输入功率 = 充电效率

充电器的使用与维护

1. 在一定范围内，充电倍率越大，电池可充进的电量会稍降低。例如同样一块2000mAh电池，使用1C充电可充进1800MAH，那使用2C充电可能无法充进1800mAh。

2. 在充电时，应保证充电电流不应大于充电器最大输出电流。也就是电池的充电功率不应大于充电器的最大输出功率。

3. 充电器在工作时会产生一定热量，应保持充电器散热通道畅通。

4. 在充电完毕后，应先结束充电在断开电池插头。

5. 锂聚合物电池不应长时间大C数充电，在多次的大电流充电后应将电池进行一次低C数充电，以使电芯电压平衡。

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无人机: 三轴

首先给大家科普一下无人机中的“三轴”概念，无人机有横轴、纵轴、立轴三个轴，绕着这三个轴的运动分别是俯仰（Pitch）、横滚（Roll）、偏航（Yaw），如下图所示

接下来给大家讲四个英文缩写的含义

ELE是英文单词elevator的缩写，升降舵，控制无人机绕着横轴做俯仰运动（Pitch），通过遥控器前后打舵控制

俯仰运动:

AIL是英文单词ailereon的缩写，为副翼，控制无人机绕纵轴做横滚运动（Roll），通过遥控器舵杆左右打舵控制。

横滚运动

RUD是英文单词rudder的缩写，为方向舵，控制无人机绕立轴做偏航运动（Yaw），通过无人机左侧舵杆左右打舵控制

偏航运动

THR是英文单词throttle的缩写，为油门，控制无人机沿立轴上升或下降，通过要遥控器左侧舵杆前后打舵控制。

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无人机: 电调

无刷电调及其构成

电调全称电子调速器，英文electronic speed controller,简称ESC。

在整个飞行系统中，电调的作用主要包括:

• 1. 调节电机转速；
• 2. 控制电机运转；
• 3. 提供BEC供电（部分没有这个功能）

电调是动力系统的重要组成部分，无刷电机必须通过无刷的驱动才能运转。

无刷电调在结构上由输入部分电源线、电调主体、输出部分电源线、信号输入线、连接件等构成

电调的输入端由电源线与插头共同构成，插头是连接飞行器与电池的连接件，而输入线则是可以通过较大电流的硅胶线。硅胶高温线具有优良的耐高温及耐低温性能、具有优良的耐高压、耐酸碱性能，其内部是由多根0.08MM细铜丝组成，具有良好的过大电流能力。

信号输入部分由信号线、插头组成，部分电调还有磁环。信号输入线由三根导线构成了两个回路，一个回路是向外供电（红+黑），另外一个回路是获取控制信号（白+黑），所以在部分没有BEC的电调是只有白和黑两根线的。连接头是固定在飞控或者接收机上面的连接件，需要注意的是不要插反。

无刷电子调速器的主要参数

• 使用电压

  也就是该电调所能使用的电压区间，例如某40A电调使用电压为2-6S，也就是说使用电压区间为7.4V-22.2V。 需要注意的是，电调的使用电压必须在指定范围内，否则将不能正常工作

• 持续工作电流

  持续电流是该电调可以持续工作的电流，超过该电流可能导致电调过热烧毁。以图3.26给出的参数为例，该款电调持续工作电流为20A，那该电调就必须工作在20A以内。电调还拥有另外一个参数最大瞬间电流，电调可以在短时间内承受高于额定电流一定范围的电流。

• 信号频率

  电调信号的刷新频率，决定了电调的相应速度。电调信号刷新频率一般在30-499HZ，多旋翼无人飞行器宜选用高刷新频率的电调，更高的信号刷新频率可以使飞行器相应速度更快。

• PWM驱动频率

  无刷电调对电机进行控制，都是以PWM占空比方式来进行调速，而PWM频率就是PWM信号的频率。目前的PWM频率主要集中在8-16KHZ。

• BEC输出

  BEC是免电池供电系统，也可以理解为降压模块。在油动发动机飞行器系统里面，接收机以及舵机需要由一组4.8-6V电池单独供电。在电调有了BEC系统之后，就可以将动力电池的电压降压为5-6V供接收机及舵机系统使用。要注意的是，在多旋翼飞行系统里，因为涉及到多个电调，所以大多不再由电调BEC向飞控系统供电，统一由电源管理模块或者单独BEC向飞控系统供电

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无人机: 无刷电机

什么是无刷电机

无刷直流电机简称为无刷电机，英文Brushless DC motor，简称BLDC，多旋翼无人飞行器常用的是三相无刷外转子电机。无刷电机是随着半导体电子技术发展而出现的新型机电一体化电机，它是现代电子技术、控制理论和电机技术相结合的产物。

和普通的有刷直流电机利用电枢绕组旋转换向不同，无刷电机是利用电子换向并磁钢旋转的电机。普通的直流电机是利用碳刷进行换向，碳刷换向存在很大的缺点，主要包括:

1. 机械换向产生的火花引起换向器和电刷摩擦、电磁干扰、噪声大、寿命短。

2. 结构复杂、可靠性差、故障多，需要经常维护。

3. 由于换向器存在，限制了转子惯量的进一步下降，影响了动态性能。

而无刷直流电机的命名就说明了电机的特性，在电机性能上和直流电机性能相近，同时电机没有碳刷。多旋翼选用的三相外转子无刷电机具有以下特点:

1. 效率高，效率可达80-92%；

2. 寿命长，因为没有了电刷，其寿命大大提高；

3. 功率密度大，大部分型号电机其拉力基本可达到机身重量10-20倍；

4. 可靠性高，基本无需维护。

无刷电机的尺寸以及功率

电机能够安全工作的最大功率，电机的功率反应了其对外的输出能力，功率越大的电机其输出能力也更强。

关于功率的计算公式：电压 X 电流 = 功率(W)

例如某2212电机，工作电压为11.1V，其最大工作电流为20A，可知其最大功率为：

​ 11.1V X 20A = 222W

功率的单位是W，也就是瓦特。

无刷电机不可超过最大功率使用，如果长期处在超过最大功率的情况下，电机将会发热高温乃至烧毁。

注意的是，内转子无刷电机大多以电机的外形来定义电机的型号

多旋翼飞行器采用的无刷电机多采用其内部定子的直径和高度尺寸来定义电机的尺寸，例如大疆创新农业植保机MG-1的电机采用的是6010电机，表示的是其电机定子直径为60MM，高度为10MM。

多旋翼电机普遍采用直径大高度较低的无刷电机。而内转子无刷电机其机身高度往往大于直径，例如常见的3650电机，其电机直径为36MM，高度为50MM。

拉力以及推重比

该电机在最大功率下所能产生的最大拉力，也直接反应了电机的功率水平。多旋翼飞行器要求其所有电机总推力必须大于机身自重一定比例，才能保障飞行器的飞行性能和飞行安全。这个比例我们称之为推重比，多旋翼的推重比都必须大于1，常见的在1.6-2.5，推重比反应了飞行器动力冗余情况，过低的推重比会降低多旋翼飞行器的飞行性能以及抗风性。在一定范围内其推重比越低，说明电机的工作强度越高，电机工作效率会不断下降。

下面，我们以疆创新农业植保机MG-1为例，来进行多旋翼飞行器推重比的计算，MG-1单电机的最大推力为5.1KG，又已知其为八轴设计，所以其总推力为：

               ```5.1  X   8  =  40.8KG```

由以上可知MG-1的推重比（飞行器最大推力除以机身重量）为：

40.8 ÷ 22.5（MG-1标准起飞重量） = 1.81（精确到小数点后两位）

所以，MG-1的推重比为1.81。

电机的KV值

KV的概念是指无刷电机工作电压每提升1V无刷电机所增加的转速。以往的直流电机我们在介绍其性能时，会举例其在12V时该电机是多少转。无刷电机引入了KV的概念，能够使我们了解到该电机在不同的电压下所产生的空载转速（即没有负载）。KV与转速的公式为：

KV值 X 电压 = 空载转速（每分钟）

例如，MG-1的电机其KV值为130KV，其工作最大电压为50.4V，可知其最大空载转速为：

             130KV  X  50.4V  =  6552RPM

其中RPM的含义为：转/每分钟

但是要注意的是，实际上空载速度都会高于实际的负载转速，并且负载越大其实际转速会更低。

电机KV值的选择，取决于系统的工作电压，最终取决于电机的负载转速。例如同样一套飞行器，使用22.2V电压其电机KV为500KV，可知其空载转速为500*22.2=11000RPM；如果该飞行器使用11.1V电压，其电机KV值应为11000/11.1=1000KV。

无刷电机与电调的关系

无刷电机由无刷电调进行驱动并且供电，所以它们之间最简单的关系是，无刷电调能否满足电机的电力需求，无刷电机的功率是否超出无刷电调的承受范围。 以具体案例来进行说明，一款电调的参数为12.6V 20A，而另外一款电机的参数为12.6V下最大功率为300W，那这样两个设备组合在一起会发生什么情况呢？

首先，我们来计算电调的持续功率，12.6V X 20A = 252W。这款电调在252W之内驱动300W电机时，电调尚能正常工作，可是如果电机运转功率继续上升到300W，那电调将持续工作在自身的承受电流之上，最终的结果电调将会因为电流超过持续过热而烧毁。

如果是电调的输出能力远比电机功率大会出现什么情况呢？ 我们还是以具体的案例来进行分析。无刷电调参数为12.6V 600W，无刷电机的功率为300W，在这样的情况下，无刷电机达到最大功率，无刷电调依然可以正常工作，如果外界其他因素使电机的输出功率最终达到了400W会导致什么样的情况出现呢？电调因为远未达到过流保护阈值，所以依然会正常工作，最终导致电机过热烧毁。

电调普遍具有过流保护功能，能够超出安全值时及时减小或关闭输出，保护电调安全。 在电机不会超载的前提下，大电调配小电机，会造成配置的浪费，提高整体成本。

无刷电调与无刷电机的搭配应是无刷电调相对于无刷有一定比例的冗余量，例如电机的电流为14A，可以搭配选择20A的电调。这样既不会造成电调的过载，也不会造成配置的浪费。

无刷电机与螺旋桨的搭配关系

无刷电机带动螺旋桨进行旋转，所以螺旋桨属于无刷电机的负载，无刷电机搭配螺旋桨应能充分发挥无刷电机的功率，而不会造成轻载或过载。另外，螺旋桨的负载与其长度、螺距、转速都成比例关系，所以讨论螺旋桨的负载应综合以上因素。

例如，一款电机能够在12V前提下最大负载1060桨，一旦将电压提高到15V，综合之前关于电机的知识，其空载转速将提升25%，该电机将过载。

例如，一款电机能够在12V前提下最大负载1045桨，一旦将螺旋桨更改为1060，其螺距提高，负载将更大，该电机将过载。

例如，一款电机能够在12V下前提下最大负载1045桨，一旦将螺旋桨更改为1145将，其长度增加，负载将更大，该电机将过载。

以上，我们讨论了过载的情况，下面我们进行轻载方面的分析。

例如，一款电机最佳负载条件是在24V电压搭配20寸桨，现在将电压降为20V，飞行器可能还能正常飞行，但是其悬停电流会增大。如果继续降低电压到12V，该飞行器因为螺旋桨转速过低也许就根本无法飞行。

例如一款多旋翼飞行器原先搭配1060桨，现将其更改为1045桨，该飞行器的最大飞行速度下降，但是因为电机负载下降，该飞行器的续航时间将部分增加。

无刷电机的使用维护

1. 避免无刷电机长期工作在高温环境

电机长期处于100摄氏度以上的高温环境，将对无刷电机的各个系统造成损伤。

（1）钕铁硼磁铁不耐高温，在接近其耐温极限时，将持续性的发生退磁，温度越高其退磁的速度也越快。退磁后电机磁性下降，扭矩下降，电机性能受到不可逆的损伤。

（2）轴承不可长期工作在高温环境，高温将使轴承内部润滑油发生挥发，并且滚珠因为高温发生形变，从而加速磨损。

2. 避免电机进水，保持内部干燥

进水将有可能导致轴承生锈，加速轴承磨损，降低无刷电机寿命。另外，包括硅钢片、转轴、电机外壳也都有生锈的可能。

3. 定时检查电机轴承磨损情况

电机轴承的检查方法是，去掉螺旋桨驱动电机，正常的转动没有杂音，声音浑厚。如果声音带杂音，并且有类似有沙子在内部的杂音，则轴承有损伤需要更换。

4. 定时检查电机的动平衡情况

电机动平衡的检查方法是，去掉螺旋桨驱动电机，正常的电机转动有较轻微的振动，如果电机动平衡失效，则电机振动较大，产生高频振动。

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无人机: 分类

分类

分类等级	空机重量(kg)	起飞全重(kg)
Ⅰ	0 ＜W ≤ 1.5	0 ＜W ≤ 1.5
Ⅱ	1.5 ＜W ≤ 4	1.5 ＜W ≤ 7
Ⅲ	4 ＜W ≤ 15	7 ＜W ≤ 25
Ⅳ	15 ＜W ≤ 116	25 ＜W ≤ 150
Ⅴ	植保类无人机	植保类无人机
Ⅵ	无人飞艇	无人飞艇
Ⅶ	0 ＜W ≤ 4	0 ＜W ≤ 7
Ⅺ	116 ＜W ≤ 5700	150 ＜W ≤ 5700
Ⅻ	W＞5700	W＞5700

航空器按照结构差别进行划分:

常见的三种无人机飞行器类型

固定翼飞行器

固定翼飞行器，是飞机机翼固定无需旋转，依靠经过机翼的气流提供升力的飞行器类型。我们生活常见的民航客机例如A320、波音737，以及战斗机J-10、F-16都属于固定翼飞机的范畴，同时，固定翼飞机也是世界上保有量最大的载人飞行器。

固定翼飞行器是自稳定系统，其在升空后动力系统工作正常的情况下，固定翼飞行器可以自主抵抗气流的干扰保持稳定。另外，从飞行器姿态控制来说，固定翼是完整驱动系统，意思是它在任何姿态下可以调整到任何姿态，并且保持住这个姿态。从实际操作来看，也就是固定翼飞行器可以在正常飞行情况下，进入到另外一个复杂的飞行姿态并能够回复到之前的状态。

固定翼飞行器的优点是在三类飞行器里续航时间最长、飞行效率最高、载荷最大、飞行稳定性高，缺点是起飞的时候必须要助跑或者借助器械弹射，降落的时候必须要滑行或是利用降落伞降落。

因为固定翼飞行器的自身特点，固定翼无人机广泛应用在军用、民用等各个领域，如美国军用无人机全球鹰可实现航程26000KM，续航时间42小时，可从美国本土起飞到达全球任何地点进行侦察。在民用领域，固定翼无人机广泛应用在测绘、巡逻、航拍等各行各业。同时，载人固定翼飞机也是大面积化学植保作业的主力机型，在美国以及中国大面积连块耕地都有成熟应用。

旋翼飞行器

直升机飞行器是由一个或者两个主旋翼提供升力的垂直起降型飞行器。常见的机型是一个主旋翼，同时机尾有尾翼来抵消主旋翼产生的自旋力。直升机主旋翼有极其复杂的机械结构，用以控制飞行器的飞行动作。

直升机飞行器是不稳定系统，升空之后如果不施加控制，飞行器无法保持飞行稳定。同时，从飞行控制来说直升机属于完整驱动系统，可以自由调整姿态。这是因为直升机的桨面不但可以产生相对机身向上的推力，也可以产生相对机身向下的推力。所以直升机虽然不稳定、很难控制，但是当姿态失去平衡时，完全可以控制回到正常的姿态。

直升机飞行器的特点是可垂直起降、无需跑道、地形适应能力强，缺点是机械结构复杂、维护成本高、续航及速度都低于固定翼飞行器。

直升机无人机在军事方面的应用低于固定翼无人机，常见机型有美国的火力侦察兵无人机；在民用领域，直升机无人机主要应用于航拍、农业植保以及电力巡线等方面。同时，载人直升机也是大面积连块耕地植保航空飞防的重要组成部分，在我国农业大省如黑龙江有不少应用。

多旋翼飞行器

多旋翼飞行器是指拥有三个或者更多旋翼的直升机类飞行器，能够垂直起降，属于直升机飞行器的一种，一般称之为多旋翼飞行器，而不再称之为直升机飞行器。多旋翼机械结构非常简单，螺旋桨直接连接电机，全机的运动部分只有桨叶和电机。目前，多旋翼飞行器主要应用在无人飞行器，载人多旋翼飞行器多处于研发阶段，还没有成熟应用

多旋翼属于不稳定系统，其在飞行及悬停过程中无法实现自稳定；同时，多旋翼飞行器也不是完整驱动系统（或者欠驱动系统），螺旋桨只能产生相对机身向上的升力。所以多旋翼飞行器自身的稳定性在三种主要的飞行器当中是最低的，其正常的飞行必须借助自稳定系统的辅助。

多旋翼飞行器的特点是能够实现垂直起降，并且自身机械结构简单，无机械磨损；缺点是其续航及载重在三种飞行器当中是最低的

什么是四轴六轴八轴

作为多旋翼中最基础也是最常见的气动布局,由于其优异的性能与简单的结构，深受众多多旋翼爱好者的喜爱。

X型气动布局是在飞行器前进方向的等分角度（左前-右前距机头方向均45°，机尾相同）放置相反方向电机以抵消电机转动时的反扭力。基于相同原理，x型的6旋翼、8旋翼具有x型4旋翼的特性的同时，还拥有比4旋翼更好的结构效率、承载重量以及冗余度等性质，深受航拍、影视行业用户青睐。

四旋翼飞行器

四旋翼是结构简单、飞行效率相对高效的一种常见多旋翼结构，也是目前市场上保有量最大的多旋翼飞行器类型。四旋翼玩具、小型航拍机一般都选用该结构。但是要注意的是，四旋翼没有动力冗余，任何一个电机出现问题停转，飞行器都将无法控制而摔机。

六轴无人飞行器

理论上桨叶越大气动效率越高，从这个角度中大型多旋翼飞行器也应采用四轴设计，但是因为四旋翼没有动力冗余，而六旋翼的设计实现了动力冗余，六旋翼在出现一个电机停转的情况下依然可将飞行器安全降落。所以在中大型轴距的多旋翼飞行器多采用六轴结构。

八旋翼无人飞行器

更大型的多旋翼飞行器可能会采用更多轴数的设计，例如8轴、16轴，甚至还有更高轴数的设计.

分别有什么优势？

在续航和载重方面，固定翼无人机可以以较低功率进行巡航，而直升机类无人机螺旋桨产生的升力必须一直大于或等于机身的重量，所以固定翼无人机的飞行效率是最高的；而直升机与多旋翼相比，其螺旋桨直径更大，气动效率更高。

在起降便利性方面，固定翼无人机，其起降必须借助跑道或者专用器械，所以其起降的便利性是最低的；多旋翼和直升机都属于垂直起降型飞行器，起降便利差别不大。

在操作难易度方面，拥有自稳系统的多旋翼无人机起降简单、操作易上手，其操纵难度是最低的；固定翼起降较复杂、空中操作较简单；直升机操作复杂、并且其在飞行时会产生较大的气浪声，容易对操纵造成心理压力。

在工作可靠性方面，多旋翼无人机没有传动部件，唯一旋转的部件就是螺旋桨，所以其工作可靠性是较高的；固定翼无人机工作可靠性也较高，但是其内部有进行传动控制的结构，降低了可靠性；直升机无人机拥有复杂的传动结构、减速结构、控制结构，工作可靠性相对较低。

从以上的比较来看，多旋翼飞行器主要的优点在于操纵简单、起降方便、工作可靠，这也是其在短短十几年时间迅速发展，成为航拍、影视、植保主要飞行器平台的原因。

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飞行安全

安全飞行要懂得“看天吃饭”

在享受无人机带来的快乐与方便的同时，也许你并不知道，哪怕是阳光明媚，万里无云的好天气，其实也存在着会影响到无人机飞行安全的因素，值得引起我们的注意。 在接下来的内容中，我们主要针对可以影响到无人机的正常飞行，但又容易被忽视的几种气象因素来进行讲解，让大家知道安全飞行，如何“看天吃饭”。

影响安全飞行的因素一：风

这里指的风是那种：人能够有明显感觉但没有较大影响的风，大概风力在 4~6 级。

风向从来都是飞行器飞行的重要影响因素，逆风飞行将降低飞行器的飞行速度，而顺风飞行恰恰相反。有较大的侧风则会对飞行器的降落造成降落困难或者侧翻，降落时应注意风的方向。

另外，在风速较大时，应尽量避免飞到下风向较远距离，这是因为如果风速过快，飞行器返回起飞点的过程将全程逆风，有可能导致飞行器返回困难或者电量耗尽仍未回到起飞点。

而在进行植保作业时，应避免操作人员处在下风向，因为农业植保机产生的药物有可能产生漂移而随风飘散，导致操作人员吸入有毒药雾

风给我们造成的第一个影响: 风向

顺风的时候，无人机的速度会增加，逆风的时候，无人机受到的阻力会增大。 在这样的情况下，我们的飞行会面临以下风险：

• 顺风：无法正确判断操控力度，容易打杆过大造成操控失误

• 逆风：由于风的阻力，可能会造成返航失败

  

风给我们造成的第二个影响: 乱流

为了更好地理解乱流，大家要先回想起一个常见的现象，叫“穿堂风”。“穿堂风”是指在风压作用下，室外空气从建筑物一侧进入，贯穿内部，从另一侧流出的自然通风；而当“穿堂风”从建筑物之间流出后，在建筑物出口处会形成不规律的气流，这种现象就是乱流。

乱流的危害：乱流因为方向不定，会对飞行器的状态造成一定的影响，所以应特别注意。

如何应对风的影响

• 风向——注意风向，及时调整飞行状态；做好预判，确保安全返回
• 乱流——时刻观察飞行在在空中的状态；不要靠近山谷、建筑群等易产生乱流的区域

影响安全飞行的因素二：温度

温度对无人机的影响之一，是影响无人机的电池工作效率。低温将使电池的反应速率下降，从而造成续航时间、放电功率改变、电压骤降和飞行动力不足等问题。

低温也会对无人机造成一定的影响，比如会影响无人机的气压高度计正常工作，温差过大会使无人机镜头产生镜面结雾，甚至会产生凝水现象，造成部件故障。 如何应对温度的影响：

• 户外飞行做好保温工作，电池使用之前注意预热
• 在温差变化较大工作时，做好预防，避免结雾和凝水现象

影响安全飞行的因素三：湿度

潮湿空气，会腐蚀多旋翼飞行器的金属部件，螺旋桨将受到更大的空气阻力，增加耗电，缩短了其续航时间。 如何应对湿度的影响：保持室内干燥，潮湿环境下减少无人机飞行时长

影响安全飞行的因素四：能见度

能见度距离短的飞行环境，比如夜间、雾、霾等情况下，会影响操作者对飞行距离的正确判断，容易导致超视距飞行，从而影响飞行安全。 如何应对能见度的影响：

• 能见度低的环境下，尽量避免飞行，或者提高警惕，一旦超视距飞行，要第一时间飞回到视距内，确保安全

总结

影响无人机飞行安全的信号因素

在享受无人机带来的快乐与方便的同时，我们要知道，无人机的飞行是靠各种信号的正常运作才实现平稳的飞行动作。如果信号受到影响，会直接影响无人机的正常工作。因此，为了实现飞行安全，认识影响无人机飞行安全信号的因素就尤为重要。

影响安全飞行的信号因素一：磁罗盘

磁罗盘即指南针，如果磁罗盘信号出现问题，会导致飞机无法识别方向。

• 注意事项一：磁罗盘避免在有较强磁性的区域飞行

  大块金属、铁质栅栏、磁铁矿脉、停车场、桥洞、带有地下钢筋的建筑区域含有大量铁磁性物质。如无人机与其距离过近，其自身附带的磁场信号将对飞行器的磁罗盘产生干扰。

• 注意事项二：当“时空”（时间和空间）发生较大变化时，要对磁罗盘进行校准

  无人机闲置时间过长时，其内部磁罗盘信号有可能产生漂移，所以在较长时间闲置以后重新飞行应重新校准磁罗盘。一般情况下，一周左右未使用过的无人机，再次使用要先校准磁罗盘。

  而各个地区的地球磁场信号并不完全相同，所以在位置变化较大时应重新校准磁罗盘。通常情况下，离上一次磁罗盘校准的位置超过10公里左右，就需要再次校准磁罗盘信号。

影响安全飞行的信号因素二：GPS

GPS可以让无人机准确地知道自己当前的位置。不过，GPS在某些情况下会无法正常使用，在这些情况下需要我们更加关注无人机的状态，避免出现安全事故。 在高层建筑群、峡谷或类似地形中，无人机的GPS信号大部分被遮挡，只能接收到飞行器正上方的少量卫星信号。

影响安全飞行的信号因素三：遥控信号

常见影响无人机遥控信号的主要有以下两个因素：

• 影响因素一：遥控器与无人机的距离

  如果无人机已经超出遥控设备的有效距离，就接收不到来自于遥控设备的控制信号，这种情况被称之为失控。

• 影响因素二：遮挡物

  遮挡物是指在操纵者与无人机之间存在着明显的遮挡物 遮挡物对飞行的影响主要有两个，一是会遮挡视线无法看清无人机的状态及姿态，二是会影响无线控制信号的传输。

总结

影响无人机飞行安全的地面因素

我们在使用无人机的过程中，关注了气象因素、信号因素之后，并不代表我们就可以放松警惕了。由于无人机的飞行高度有限，在一些特殊的环境中，很容易受到地面情况的影响，从而影响飞行安全。在飞行无人机时，时刻关注地面情况，也是保障无人机飞行安全的重要一环。

影响安全飞行的地面因素一：障碍物

地面建筑与树木对无人机的干扰之前有提到过，会产生乱流、遮挡GPS信号、影响磁罗盘等。 但除了上述影响之外，对无人机飞行安全造成最直接的影响，那就是无人机在操作失误的情况下，与建筑和树木等障碍物发生撞击。 要特别注意的是，很多撞击发生在操作者使用自动返航功能时，因此我们有必要弄清楚自动返航的工作流程，以及如何避免操作失误。 自动返航的工作流程是：无人机先在当前位置垂直上升到预定返航高度，再从返航高度水平前进至返航点，最后在返航点上空降落。 在设置返航高度时，如果返航高度低于周围建筑的最高高度，在无人机返航过程中将有可能撞到建筑物。（见下图）

而在无人机自动返航过程中，由于用户的操作不当，发生事故的情况也屡见不鲜，我们再来一起看一下，当自动返航功能启动时，无人机工作的一些特殊情况。

在上面关于自动返航的描述中，我们需要重点关注一个关键距离：“20m”。

• 一是“无人机水平距离返航点20m”，此时按自动返航会直接原地降落；之前也出现过飞手把无人机飞到面前的湖面上，心血来潮想尝试自动返航，结果眼睁睁看到飞机原地降落到水中的“惨案”；

• 二是“无人机上升至20m以后但没达到返航高度前”，此时如果乱打杆，会造成无人机停止上升直接水平返航，此时很容易发生事故。

所以说，自动返航要是想用得顺手，还真得多加注意。所以在这里友情提示：无论科技发展到什么程度，练好无人机的操作技能才是硬道理。

影响安全飞行的地面因素二：视觉差

除了地面上的障碍物以外，我们自己在地面上操作无人机时，很容易出现视觉差，对飞行安全造成影响。 不知道小伙伴们在飞行无人机的过程中会不会遇到这种情况：明明离障碍物还有一段距离，但是总感觉飞机要撞上去了；感觉飞机飞到了预期的位置，结果一看屏幕，发现还差得很远。 发生这种情况其实很正常，实际上，操作人员对于较远距离的障碍物的实际距离以及无人机与障碍物距离往往判断错误，这种现象我们称之为视觉差，视觉差会导致无人机与障碍物发生撞击从而造成无人机的损坏，目前没有更好的办法去彻底解决，只能多积累经验。

在这里推荐给各位小伙伴一个自己在家就能练习克服视觉差的方法，叫做对尾矩形航线，就是保证无人机在尾部始终对着操作者的情况下，在一个空地上画出一个矩形，这个操作可以帮助你联系对位置的判断以及操作无人机保持稳定飞行的能力。

飞控

RTK

简介

RTK（Real - time kinematic）载波相位差分技术，常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度,是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。这是一种新的常用的GPS测量方法，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。

应用

1. 各种控制测量：

   传统的大地测量、工程控制测量采用三角网、导线网方法来施测，采用RTK来进行控制测量，能够实时知道定位精度，如果点位精度要求满足了，用户就可以停止观测了，而且知道观测质量如何，这样可以大大提高作业效率。

2. 地形测图：

   外业用全站仪和电子手簿配合地物编码，利用大比例尺测图软件来进行测图，甚至于发展到最近的外业电子平板测图，采用RTK配合电子手簿可以测设各种地形图，如普通测图、铁路线路带状地形图的测设，公路管线地形图的测设，配合测深仪可以用于测水库地形图，航海海洋测图等等。

3. 放样：

   放样是测量一个应用分支，它要求通过一定方法采用一定仪器把人为设计好的点位在实地给标定出来

双星系统

双星系统（GPS+GLONASS双系统导航定位）是GPSRTK发展的热点，它可接收14-20颗卫星左右，是常规RTK所无法比拟的，该技术使GPS设备具备最短时间达到厘米级精度的能力与最强的抗干扰遮挡能力。

单频双星系统（GPS+GLONASS，或GPS+BDS），RTK或PPP可以得到1CM的定位精度。

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导航

IMU惯性导航

包含加速度计、角速度计和气压高度计，是高精度地感应飞行器姿态、角度、速度和高度的传感器集合体，在飞行辅助功能中充当极其重要的角色. 一个IMU包含了三个以上单轴的加速度计和三个以上单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于检测角速度信号的导航坐标系，它测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态，在导航中有着很重要的应用价值。 一旦IMU的角速度参数发生异常，飞行器将无法正常进行操作。 发现飞行器飞行状态不佳时，应及时检测IMU的陀螺仪模值与加速度模值是否正常，如果数字不在规定范围内，则需要进行校准。如大疆MG-1八旋翼飞行器在静止状态下，其陀螺仪模值应在1.5以内，加速度模值在0.98-1.02之间，如果超出了这个范围就应对其进行IMU校准。

磁罗盘

什么是磁罗盘

整个地球是拥有磁场的，类似常见的磁铁所形成的完整磁场。地球磁场，近似于把一个磁铁棒放到地球中心，N极大体上对着地理南极，S极大体对着地理北极。磁极与地理极不完全重合，存在磁偏角。当然，地球中心是高温状态并没有磁铁棒，而是通过外核的电子随地球自转的电流效应（近似于电生磁）产生磁场的。地球磁场属于电磁场，随地球公转而不随地球自转。

试想一下，一艘船在茫茫大海当中不知道方向所带来的可怕后果，指南针正是利用了地球磁场从而能够判断方向，人类也正是在拥有了指南针以后才能实现远航。磁罗盘也被称为指南针，是利用地磁场固有的指向性测量空间姿态角度的。它可以测量载体三维姿态数据，大量使用在航海、石油钻井、水下平台作业、飞机姿态测量、机器人控制等领域。数字磁罗盘具有体积小、航向精度高、倾斜范围宽、频响高、低功耗的优点，很适合用于既对航向精度有较高要求同时又对功耗、体积有限制的场合。

在民航客机当中也会安装有磁罗盘，正是有了磁罗盘提供的角度数据，飞行器在空中可以随时了解自身所处的方位，这为飞行员的操纵提供了数据支持。以图2.17如为例，当飞行器机头与S机重合时，此时机头的方向为正南方；当飞行器机头与W重合时，可知飞行机头朝着正东方。

磁罗盘的作用及使用注意事项

磁罗盘在多旋翼飞行器当中的作用也是一样的，负责为飞行器提供方位，也是属于飞行器的传感器。磁罗盘是飞行器正常飞行的前提，所以一定要关注指南针的状态，并根据操作要求及时对磁罗盘进行校正。 地磁信号的特点是使用范围大，但是强度较低，甚至不到1高斯（电机里面的钕铁硼磁铁磁场可达几千高斯），所以其非常容易受到其他磁体的干扰。铁磁性的物资都会对磁罗盘产生干扰，例如大块金属、高压电线、信号发射站、磁矿、停车场、桥洞、带有地下钢筋的建筑等。如下图这样的大型钢结构厂房，其电磁信号比较复杂，在这样的位置飞行时需谨慎留意磁罗盘的运行状态。

另外，不同地区的地磁信号都会有细微差别，在南极北极地区，磁罗盘甚至无法正常使用。所以当使用多旋翼飞行器从一个地点进入到一个较远的地区时，应首先对磁罗盘进行校准，使其能够良好工作。手机与钥匙也都属于铁磁性物品，所以在进行磁罗盘校准时，应将手机、钥匙等铁磁性物品从身上取出再进行操作。

组合导航控制

组合导航，是指将GPS、磁罗盘、气压计等系统中的一个或几个与IMU惯性测量单元集合在一起，形成的综合导航系统。大多数组合导航系统以惯导系统为主，其原因主要是由于惯性导航能够提供比较多的导航参数，还能够提供全姿态信息参数，这是其他导航系统所不能比拟的。但是，如果只有惯性测量单元，它会存在累计误差的问题，例如一部多旋翼飞行器在关闭GPS的情况下也能够正常飞行，但是它会一直进行漂移。这是因为它无法把自己确定在地球某一个确定的点，在没有这个明确的目标的前提下，飞行器只能是在保障自身平衡的情况下不断进行漂移。而如果是惯性测量单元加上GPS全球定位系统，飞行器能够明确自己所处的位置，一旦飞行器偏离这个位置，主控会发出指令要求其回到当前的地理位置。

关于高度的控制也是同样的道理，惯性测量单元可以测量加速度，却无法测量飞行器所处的具体高度；GPS可以测量飞行器的高度但存在一定的误差，在这样的情况下，在IMU惯性单元之外再加入气压计，直接对气压进行测量。从而，系统关于高度的数值就拥有两个来源，但总体应是以气压计提供的数值为准。

关于方位的测量，惯性测量单元的陀螺仪可以测量角度以及角速度，但是其角度测量会随着通电时间的增加而不断产生漂移，而磁罗盘能够根据地球磁场进行飞行器角度的确定，从而能够对惯性测量单元的角度进行矫正，因为磁罗盘是对地球磁场直接进行测量，而地球磁场是相对固定的。

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飞行器

无人机系统构成

多旋翼无人飞行器系统主要由飞行器平台（机架）、飞控系统、动力系统、任务设备、显示系统、控制系统、通讯链路天空端、通讯链路地面端共同构成。

飞行器平台也就是指整个机身，它提供了飞行器的基本框架，装载各种设备、电池乃至其他机身配件。动力系统则由电机、电子调速器、螺旋桨、电池、充电器共同构成，为整个飞行器提供飞行的动力，其中充电器属于地面设备。任务设备则是多旋翼无人飞行器实施具体功能的载体，在不同作用的飞行器上其任务设备也明显不同。

控制系统由显示系统、操作系统构成，在显示系统里，通讯设备将飞行器的高度、速度、电量、姿态、位置等各种丰富的信息传达到地面，地面操作人员就可以根据显示系统提供的信息对飞行器进行操纵。而在操作系统里，作业人员能够通过操作设备将控制意图传达到多旋翼无人飞行器，实施相应的飞行及操作。

通讯链路则由地面端与天空端共同构成，正是由于通讯链路的存在，才能实现飞行器信息的实时回传，以及地面人员对飞行器的实时操纵。

机架

无人机机架的主要参数

机架的重量应当是在保证机身坚固性的前提下更轻为最佳，因为这可以降低机身负载，提升飞行器的续航时间。

轴距是指多旋翼对角线两个等级轴心中心的距离，一般单位为毫米，用于表达机架的大小。例如常见的大疆风火轮F450，其轴距是450 mm，大疆农业植保机MG-1，其轴距是1520 mm。

多旋翼机身材料主要包括碳纤维、玻璃纤维、铝合金、塑料、轻木。碳纤维，是多旋翼飞行器最佳也是使用最多的机身材料，其价格也是所有机身材料最高的。玻璃纤维性能较一般，较少有多旋翼使用。塑料在初级入门多旋翼上有使用，例如F450就是塑料材质机架。铝合金在多旋翼上较少使用，目前出现了使用铝合金机架的多旋翼农业植保机。轻木其主要优势在于价格便宜，会有部分模型爱好者DIY使用轻木制作机架。

无人机的控制系统

无人机地面站也称控制站，在规模较大的无人机系统中，可以有若干个控制站，这些不同功能的控制站通过通信设备连接起来，构成无人机地面站系统。以大疆的精灵飞行器为例，显示器不仅能够显示飞行器实时拍摄到的画面，还能够显示电量、飞行高度、飞行速度，地面的操作人员就可以根据画面与传输信息进行操纵，操纵的设备就是其手中的遥控器。

而在大疆MG-1农业植保机的操纵过程中，显示设备变成了显示面板，在显示面板里包括了电池电量、飞行方向、作业模式、飞行速度、飞行高度、喷洒流量等各种信息。操作人员根据面板上提供的这些丰富信息，通过操作遥控器对飞行器进行控制。

在这些设备中，我们可以把遥控器理解为操作系统，而显示器或者显示面板就是显示系统。同时，大多数的飞行器都会有相应的飞控调参软件，在这些调参软件中，可以对飞行器的一些参数进行设置，辅助飞行与作业。

无人机的链路系统

链路通讯系统主要用于多旋翼飞行器系统传输控制和载荷通讯的无线电链路，是飞行器与地面操纵人员之间沟通的桥梁。通讯链路的主要构成包括地面端与天空端。地面端需要将控制信号以及任务指令发到飞行器（天空端），飞行器则需将飞行器的状态以及任务设备的状态发送到地面端。

以往的航模飞行器当中，地面与空中的通讯往往是单向的，也就是地面进行信号发射，而空中进行信号接收并完成相应的动作，地面的部分被称为发射机，空中的部分被称为接收机，所以这一类的飞行器其通讯数据链只有一条。而多旋翼飞行器系统地面人员不仅要求能控制飞行器，还需要了解飞行器的飞行状态以及飞行器任务设备的状态，这就要求多旋翼飞行器具有数据传输链路，飞行器发送数据，地面端接收数据，这的常见的第二条数据链。

现在常见的航拍飞行器，需要把多旋翼飞行器所拍摄到的画面传输回地面，而地面则需要接收视频画面，这是常见的第三条图传数据链。

无人机动力系统

多旋翼飞行器的动力系统由电池、充电器（地面设备）、电子调速器、电机、螺旋桨等构成。 螺旋桨是最终产生升力的部分，由无刷电机进行驱动，而整个飞行器最终是因为螺旋桨的旋转而获得升力并进行飞行。在多旋翼飞行器中，螺旋桨与电机进行直接固定，螺旋桨的转速等同于电机的转速。无刷电机必须在无刷电子调速器（控制器）的控制下进行工作，它是能量转换的设备，将电能转换为机械能并最终获得升力。电子调速器由电池进行供电，将直流电转换为无刷电机需要的三相交流电，并且对电机进行调速控制，调速的信号来源于主控或者接收机。电池是整个系统的电力储备部分，负责为整个系统进行供电，而充电器则是地面设备，负责为电池进行供电。

无人机飞控系统

飞行控制系统通过高效的控制算法内核，能够精准地感应并计算出飞行器的飞行姿态等数据，再通过主控制单元实现精准定位悬停和自主平稳飞行。

在没有飞行控制系统的情况下，有很多的专业飞手经过长期艰苦的练习，也能控制飞行器并非常平稳地飞行，但是，这个难度和要求非常高，同时需要非常丰富的实践经验。如果没有飞行控制系统，飞手需要时时刻刻关注飞行器的动向，眼睛完全不可能离开飞行器，时刻处于高度紧张的工作状态。而且，人眼的有效视距是非常有限的，即使能稳定地控制飞行，但是控制的精度也很可能满足不了航拍的需求，并且控制距离越远，控制精度越差。还有，对于不同的拍摄需求，以及不同的拍摄环境或条件，人为飞行控制更是难上加难，甚至根本不可能实现。飞行控制系统是目前实现多旋翼无人飞行器简单操控和精准飞行的必备条件。

飞行控制系统一般主要由主控单元、IMU（惯性测量单元）、GPS指南针模块、LED指示灯模块、PMU（电源管理模块）、IOSD数据记忆模块等部件组成。IMU是角速度以及加速度传感器，对飞行器的运动姿态进行侦测并反馈给主控。磁罗盘（指南针）是飞行器方向传感器，对飞行器的方向位置进行侦测并反馈给主控。主控正是在获得角速度、加速度、方向等姿态信息后，才能够对数据进行分析并最终保持了自身的平衡。而GPS是全球定位系统，能够确定飞行器所处的经纬度，最终保障飞行器能够实现定点悬停以及自动航线飞行。

飞控系统的连接

整个系统的连接，我们以大疆创新的A2飞控为例，IMU以及GPS整合汇入主控；PMU一侧连接主电源，一侧连接主控对飞控进行供电；所有的电调接入主控，电调另外一侧接电机，主控通过对电调的控制进而对整个动力系统进行控制；LED由PMU进行供电。如下图所示.

主控是整个飞行控制系统的核心，通过它将IMU、GPS指南针、遥控接收机等设备接入飞行控制系统从而实现飞行器的所有功能。除了辅助飞行控制以外，某些主控器还具备记录飞行数据的黑匣子功能，比如：DJI的Ace One。主控单元还能通过USB接口，进行飞行参数的调节和系统的固件升级。

飞控参数

四旋翼的控制流程：控制中心单片机通过IMU陀螺仪加速度计（MPU6050等等）获取四旋翼的角度（俯仰、横滚和偏航）的相对基准角度变化、然后滤波（卡尔曼滤波等等）处理获得方向余弦矩阵和四元数得到欧拉角、使用PID控制或者PI,PD控制（P比例I积分D微分）将系统反馈值和期望值进行比较、并根据偏差不断修复、直至达到期望的预定值。

通过PID自动控制算法处理、输出期望的PWM波给四个电调、控制四个无刷电机的转速、从而得到一个期望的力控制四旋翼的前后左右上下飞行。

PID算法的含义:对四轴而言，PID算法是用来计算马达的动力大小，来抵消误差的。P的作用是加快系统达到预期的速度；I的作用是消除净差；D有阻尼的作用、就是阻止系统突变。

1、P直接和误差关联，比如四轴倾斜X度，P的调控效果=P*X个单位的力量。PID算法中，P是最主要最基本的参数。

2、I则和误差的积分有关。举个例子，如果写一个P控，控制一个电炉加热到400度，当前温度是室温，那刚开始误差=（设定温度-当前温度）很大，电炉就哗哗的加热上去了，但是到了390度，误差才10度了，加热功率变小了，可是呢，由于这个电炉会散热，结果单纯用P控，温度怎么也上不到400度。这时，I控就可以帮助适当调大一些功率，直到正好400度。那怎么实现的呢，用误差积分乘以I，如果老是温度不到400度，误差的积分就会越来越大，I调控的效果=I误差的积分，也就越来越大。 3、D和误差纠正的速度有关，D和P相比，就像汽车避震里的油压阻尼和弹簧，汽车弹簧碰到一个减速带，就会受压，反弹，此时如果没有阻尼，车子就会不停的上下振动。而油压阻尼则防止弹簧不停振动。因此D值越大，意味着阻尼越大，四轴不容易因为P而振动，但P的效果就会变差。D调控的效果=D误差的微分。 4、把三个数值的调控效果加起来，就是总的调控效果

飞行模式

多旋翼飞行器系统一般提供三种飞行模式，它们操作的难易度从高到低分别是GPS模式、姿态模式和手动模式。

1. GPS模式

   必须要有GPS系统模块，除了能自动保持飞行器姿态平稳外，还能具备精准定位的功能，在该种模式下，飞行器能实现定位悬停，自动返航降落等功能。

   GPS模式也是目前多旋翼飞行器用的最多的飞行模式，它在大疆农业植保机MG-1遥控器上的代码是P。图2.22红点右上方的就是飞行模式三段开关，从下到上分别是M（手动模式）、A（姿态模式）、P（GPS模式）。

2. 姿态模式

   适合于没有GPS信号或GPS信号不佳的飞行环境，能实现自动保持飞行器姿态和高度，但是，不能实现自主定位悬停。因为没有了GPS的地理位置信息，所以飞行器在此模式下将持续不稳定的进行漂移，无法稳定悬停在某一点。

   姿态模式的操作难度大于GPS模式，因为会不断地进行漂移，所以需要进行人工调整，姿态模式在大疆农业植保机MG-1遥控器上代码是A。

3. 手动模式

   多旋翼飞行器的飞控系统基本停止动作，系统不会自动保持飞行姿态和高度的稳定，完全由飞手手动控制，除非操纵者操纵技能非常熟练否则很难操纵，新手切勿尝试。

   手动模式在大疆农业植保机MG-1遥控器上代码是M，但是考虑到安全因素，M模式默认状态下也是姿态模式。可以在MG-1的调参软件将其修改成真正的手动模式，但是考虑到安全性建议不要进行这样的设置。