若言琴上有琴聲溜嗜，
放在匣中何不鳴宵膨？
若言聲在指頭上，
何不與君指上聽炸宵？
以上詩歌表示和多旋翼組成關(guān)系是一樣的辟躏，相互依存，緊密聯(lián)系土全。
總體介紹
分為機架捎琐、動力系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)
機架
機身
機身是承載多旋翼所有設(shè)備的平臺裹匙。多旋翼的安全性瑞凑、可用性以及續(xù)航性能都和機身的布局密切相關(guān)。因此在設(shè)計多旋翼時幻件，其機身的尺寸拨黔、布局、材料、強度和重量等因素都是應(yīng)該考慮的篱蝇。
指標(biāo)參數(shù)：
1.重量
機身的重量主要取決于其尺寸和材料贺待。由于在相同拉力下，機身越輕意味著可分配的有效載荷越大零截，因此在保證機身性能的前提下麸塞，重量應(yīng)盡量小。
2.軸距（Diagonal Size）
軸距是用來衡量多旋翼尺寸的重要參數(shù)涧衙，它通常被定義為外圈電機組成圓周的直徑哪工。
3.布局
4.材料
（a）剛度。彈性模量表示是材料在彈性變形階段弧哎，其應(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)系雁比；形變越難改變，剛度越大
（b）強度撤嫩≠松樱抗拉強度就是試樣拉斷前承受的最大標(biāo)稱拉應(yīng)力
碳纖維 玻璃鋼 聚碳酸脂 丙烯酸塑料 鋁合金 輕木
密度（lb/cuin） 0.05 0.07 0.05 0.04 0.1 0.0027-0.0081
剛度（Msi） 9.3 2.7 0.75 0.38 10.3 0.16-0.9
強度（Ksi） 120 15-50 8-16 8-11 15-75 1-4.6
價錢（10:最便宜） 1 6 9 9 7 10
加工（10:最容易） 3 7 6 7 7 10
起落架
（1）作用
1）支撐多旋翼重力
2）避免螺旋槳離地太近，而發(fā)生觸碰
3）減弱起飛時的地效
4）消耗和吸收多旋翼在著陸時的撞擊能量
涵道
（1）作用
1）保護(hù)槳葉和人身安全
2）提高槳葉拉力效率
3）減少噪音
（2）工作原理
工作原理為：當(dāng)螺旋槳工作時序攘，進(jìn)風(fēng)口內(nèi)壁空氣速度快靜壓小茴她，而進(jìn)風(fēng)口外壁靜壓大，因此涵道能產(chǎn)生附加拉力程奠。
（3）參數(shù)
擴散段長度和螺旋槳直徑是影響涵道性能的主要參數(shù)丈牢，關(guān)于設(shè)計可參考[1]
[1] Hrishikeshavan V, Black J, Chopra I. Design and performance of a quad-shrouded rotor micro air vehicle. Journalof Aircraft, 2014, 51(3): 779-791.
伯努利原理：在一個流體系統(tǒng)，流速越快瞄沙，流體產(chǎn)生的壓力就越小己沛。
注：盡管涵道可以提升效率增加懸停時間，但增加涵道的同時也會增加多旋翼機的重量從而使懸停時間縮短帕识，因此最終的優(yōu)化設(shè)計需要權(quán)衡與折中泛粹。
動力系統(tǒng)
? 動力系統(tǒng)通常包括螺旋槳遂铡、電機肮疗、電調(diào)以及電池。
? 動力系統(tǒng)決定了多旋翼的主要性能扒接，例如懸停時間伪货、載重能力、飛行速度和飛行距離等等
? 動力系統(tǒng)的部件之間需要相互匹配與兼容钾怔，否則很可能無法正常工作碱呼，甚至在某些極端情況下突然失效導(dǎo)致事故發(fā)生
螺旋槳
考慮到電機效率會隨螺旋槳尺寸變化而變化，所以合理匹配的螺旋槳可以使電機工作在更高效的狀態(tài)宗侦，從而保證在產(chǎn)生相同拉力情況下消耗更少的能量愚臀，進(jìn)而提高續(xù)航時間。
（1）作用
1）螺旋槳是直接產(chǎn)生多旋翼運動所需的力與力矩的部件
2）合適的螺旋槳對提高多旋翼性能和效率有著直接的影響
（2）指標(biāo)參數(shù)
1）型號
? 假設(shè)螺旋槳在一種不能流動的介質(zhì)中旋轉(zhuǎn)矾利，那么螺旋槳每轉(zhuǎn)一圈姑裂，就會向前進(jìn)一個距離馋袜，就稱為螺距或槳距（ Propeller Pitch ）。
螺旋槳一般用4個數(shù)字表示舶斧，其中前面2位是螺旋槳的直徑欣鳖，后面2位是螺旋槳的螺距。比如：1045槳的直徑為10英寸茴厉，而螺距為4.5英寸泽台。
2）弦長
較小的轉(zhuǎn)動慣量可以提升電機的響應(yīng)速度，從而提升多旋翼的性能矾缓。
4）槳葉數(shù)
? 有實驗表明[2,p.65]怀酷，二葉槳的力效會比三葉槳稍高一些
[2]Aaron M Harrington. Optimal propulsion system design for a micro quad roto[Master dissertation].University of Maryland, USA, 2011.
? 最大拉力相同的前提下，二葉槳直徑要比三葉槳直徑大
5）安全轉(zhuǎn)速
6）螺旋槳力效
（3）靜平衡和動平衡
進(jìn)行靜平衡和動平衡的目的是減少振動
- 螺旋槳靜平衡是指螺旋槳重心與軸心線重合時的平衡狀態(tài)嗜闻；而螺旋槳動平衡是指螺
旋槳重心與其慣性中心重合時的平衡狀態(tài) - 出現(xiàn)不平衡的情況時胰坟，可以通過貼透明膠帶到輕的槳葉，或用砂紙打磨偏重的螺旋
槳平面（非邊緣）來實現(xiàn)平衡泞辐。
電機
多旋翼的電機主要以無刷直流電機為主笔横，將電能轉(zhuǎn)換成機械能。
- 無刷直流電機具有多種優(yōu)勢咐吼，比如效率高吹缔、便于小型化以及制造
成本低 - 根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置，無刷直流電機可以進(jìn)一步分為外轉(zhuǎn)子電機和內(nèi)轉(zhuǎn)子電機锯茄。外轉(zhuǎn)子電機可以提供更大的力矩厢塘，因此更容易驅(qū)動大螺旋槳而獲得更高效率。
指標(biāo)參數(shù)：
1）尺寸
電機的尺寸取決于定子的大小肌幽，由一個四位數(shù)字來表示晚碾。例如2212（或?qū)懗?2×12）電機，前兩個數(shù)字代表定子直徑（單位mm）喂急，后兩個數(shù)字代表定子高度（單位mm）格嘁，因此2212電機表示電機定子直徑是22mm，定子高度為12mm廊移。
2）標(biāo)稱空載KV值
? 無刷直流電機的KV值指的是空載情況下糕簿，外加1V電壓得到的電機轉(zhuǎn)速值
（單位：RPM）
? 大型螺旋槳可以選用KV值較小的電機，而小型螺旋槳可以選用KV值較大
的電機
3）標(biāo)稱空載電流和電壓
在空載（不安裝螺旋槳）試驗中狡孔，對電機施加空載電壓（通常為10V）時測得的電機電流被稱為空載電流懂诗。
4）最大電流/功率
最大峰值（瞬時）電流/功率：電機能承受的最大瞬時通過的電流/功率；最大連續(xù)（持續(xù)）電流/功率：電機能允許持續(xù)工作（規(guī)定時間）而不燒壞的最大連續(xù)電流/功率
5）內(nèi)阻
電機電樞本身存在內(nèi)阻苗膝，雖然該內(nèi)阻很小殃恒，但是由于電機電流很大有時甚至可以達(dá)到幾十安培，所以該小內(nèi)阻不可忽略
6）電機效率
電機效率是評估性能的一個重要參數(shù)
7）總力效
總力效的計算方式如下：
電調(diào)
（1）作用
電調(diào)全稱電子調(diào)速器，英文Electronic Speed Control离唐，簡稱ESC隆嗅。
1）電調(diào)最基本的功能就是電機調(diào)速
2）為遙控接收器上其它通道的舵機供電
3）充當(dāng)換相器的角色
4）電調(diào)還有一些其它輔助功能
（2）指標(biāo)參數(shù)
1）最大持續(xù)/峰值電流
無刷電調(diào)最主要的參數(shù)是電調(diào)的功率，通常以安數(shù)A來表示侯繁，如10A胖喳、20A、30A贮竟。不同電機需要配備不同安數(shù)的電調(diào)丽焊，安數(shù)不足會導(dǎo)致電調(diào)甚至電機燒毀。
? 最大持續(xù)電流指的是在正常工作模式下的持續(xù)輸出電流
? 峰值電流指的是電調(diào)能承受的最大瞬時電流咕别。
2）電壓范圍
電調(diào)能夠正常工作所允許輸入的電壓范圍也是非常重要的參數(shù)技健。一般在電調(diào)說明書上可以看到標(biāo)注例如“3-4S LiPo”字樣，表示這個電調(diào)適用于3到4節(jié)電芯串聯(lián)的鋰聚合物電池惰拱，也就是說它的電壓范圍為11.1V?14.8V雌贱。
3）內(nèi)阻
電調(diào)具有相應(yīng)內(nèi)阻，其發(fā)熱功率需要得到注意偿短。有些電調(diào)電流可以達(dá)到幾十安培欣孤，發(fā)熱功率是電流的平方的函數(shù)，所以電調(diào)的散熱性能也十分重要昔逗，因此大規(guī)格電調(diào)內(nèi)阻一般都比較小降传。
4）刷新頻率
電機的響應(yīng)速度與電調(diào)的刷新速率有很大關(guān)系。在多旋翼開始發(fā)展之前勾怒，電調(diào)多為航模飛機而設(shè)計婆排，航模飛機上的舵機由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作頻率最大為50Hz笔链。相應(yīng)地段只，電調(diào)的刷新速率也都為50Hz。多旋翼與其它類型飛機不同鉴扫，不使用舵機赞枕，而是由電調(diào)直接驅(qū)動，其響應(yīng)速度遠(yuǎn)超舵機幔妨。目前鹦赎，具備UltraPWM功能的電調(diào)可支持高達(dá)500Hz的刷新率谍椅。
5） 可編程特性
通過內(nèi)部參數(shù)設(shè)置误堡，可以達(dá)到最佳的電調(diào)性能。通常有三種方式可對電調(diào)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：
? 可以通過編程卡直接設(shè)置電調(diào)參數(shù)
? 通過USB連接雏吭，用電腦軟件設(shè)置電調(diào)參數(shù)
? 通過接收器锁施，用遙控器搖桿設(shè)置電調(diào)參數(shù)
6）兼容性
如果電機和電調(diào)兼容性不好，那么會發(fā)
生堵轉(zhuǎn)，即電機不能轉(zhuǎn)動了
（3）方波驅(qū)動V.S. 正弦波驅(qū)動
1）方波驅(qū)動
方波是數(shù)字信號悉抵，控制元件工作在開關(guān)狀態(tài)肩狂，電路簡單容易控制發(fā)熱小等優(yōu)點。
2）正弦波驅(qū)動（矢量控制姥饰，F(xiàn)ield Oriented Control）
正弦驅(qū)動在運行平穩(wěn)性傻谁、調(diào)速范圍、減振減噪方面優(yōu)于方波驅(qū)動列粪。目前可采用光電編碼器审磁、霍爾傳感器或者基于觀測器的方法測量轉(zhuǎn)子角度。因為多旋翼電機始終工作在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下岂座，可以基于觀測器的方法進(jìn)行矢量調(diào)制态蒂，節(jié)約成本。
電池
電池主要用于提供能量费什。目前航模最大的問題在于續(xù)航時間不夠钾恢，其關(guān)鍵就在于電池容量的大小。現(xiàn)在可用來做航模動力的電池種類很多鸳址，常見的有鋰聚合物電池（LiPo）和鎳氫電池（NiMh）瘩蚪，主要源于其優(yōu)良的性能和便宜的價格優(yōu)勢。
1）電壓
? 鋰電池組包含兩部分：電池和鋰電池保護(hù)線路稿黍。
? 單節(jié)電壓3.7V募舟，3S1P表示3片鋰聚合物電池的串聯(lián)，電壓是11.1V闻察，其中：S是串聯(lián)拱礁，P表示并聯(lián)。又如2S2P電池表示2片鋰聚合物電池的串聯(lián)辕漂，然后兩個這樣的串聯(lián)結(jié)構(gòu)并聯(lián)呢灶，總電壓是7.4V，容量是單個電池的兩倍钉嘹。
? 不僅在放電過程中電壓會下降鸯乃，而且由于電池本身具有內(nèi)阻，其放電電流越大跋涣，自身由于內(nèi)阻導(dǎo)致的壓降就越大缨睡，所以輸出的電壓就越小。
2）容量
? 電池的容量是用毫安時來表示的陈辱。5000毫安時的電池表示該電池以5000毫安的電流放電可以持續(xù)一小時奖年。但是，隨著放電過程的進(jìn)行沛贪，電池的放電能力在下降陋守，其輸出電壓會緩慢下降震贵，所以導(dǎo)致其剩余電量與放電時間并非是線性關(guān)系。
? 在實際多旋翼飛行過程中水评，有兩種方式檢測電池的剩余容量是否滿足飛行安全的要求猩系。一種方式是檢測電池單節(jié)電壓，另一種方式是實時檢測電池輸出電流做積分計算中燥。
? 注意：單電芯充滿電電壓為4.2V寇甸，放電完畢會降至3.0V(再低可能過放導(dǎo)致電池?fù)p壞)，一般無人機在低于3.6V之前會電量報警
3）放電倍率
一般充放電電流的大小常用充放電倍率來表示疗涉，即充放電倍率=充放電電流/額定容量
? 例如：額定容量為100Ah的電池用20A放電時幽纷，其放電倍率為0.2C。
? 電池放電倍率是表示放電快慢的一種量度博敬，越大表明放電越快友浸。所用的容量1小時放電完畢，稱為1C放電偏窝；5小時放電完畢收恢，則稱為1/5=0.2C放電。容量5000毫安時的電池最大放電倍率為20C祭往，其最大放電電流為100A 伦意。
? 鋰聚合物電池一般屬于高倍率電池，可以給多旋翼提供動力硼补。
? 放電電流不能超過其最大電流限制驮肉，否則可能燒壞電池
指揮控制系統(tǒng)
遙控器和接收器
遙控器發(fā)送飛控手的遙控指令到接收器上，接收機解碼后傳給飛控制板已骇，進(jìn)而多旋翼根據(jù)指令做出各種飛行動作离钝。遙控器可以進(jìn)行一些飛行參數(shù)的設(shè)置，例如：油門的正反褪储，搖桿靈敏度大小卵渴，舵機的中立位置調(diào)整，通道的功能定義鲤竹，飛機時間記錄與提醒浪读，撥桿功能設(shè)定。高級功能有航男猎澹回傳的電池電壓電流數(shù)據(jù)等等碘橘。
（2）指標(biāo)參數(shù)
1）頻率
? 常用的無線電頻率是72MHz與2.4GHz，目前采用的最多的是2.4GHz遙控器吱肌。
? 2.4GHz技術(shù)屬于微波領(lǐng)域痘拆，有如下幾個優(yōu)點：頻率高、同頻幾率小岩榆、功耗低错负、體積小坟瓢、反應(yīng)迅速勇边、控制精度高犹撒。
? 2.4G微波的直線性很好，換句話說粒褒，控制信號的避讓障礙物的性能就差了识颊。控制模型過程中奕坟，發(fā)射天線應(yīng)與接收天線有效的形成直線祥款，盡量避免遙控模型與發(fā)射機之間有很大的障礙物（如房屋及倉庫等）。
2）調(diào)制方式
? PCM是英文Pulse Code Modulation的縮寫月杉，中文的意思是：脈沖編碼調(diào)制刃跛，又稱脈碼調(diào)制。PPM是英文Pulse Position Modulation的縮寫苛萎，中文意思是：脈沖位置調(diào)制桨昙，又稱脈位調(diào)制，前者指的是信號脈沖的編碼方式腌歉，后者指的是高頻電路的調(diào)制方式蛙酪。
? PCM編碼的優(yōu)點不僅在于其很強的抗干擾性，而且可以很方便的利用計算機編程翘盖，不增加或少增加成本桂塞，實現(xiàn)各種智能化設(shè)計。相比PCM編碼馍驯，PPM比例遙控設(shè)備實現(xiàn)相對簡單阁危，成本較低，但較容易受干擾汰瘫。
3）通道
一個通道對應(yīng)一個獨立的動作欲芹，一般有六通道、十通道等吟吝。多旋翼在控制過程中需要控制的動作路數(shù)有：油門菱父、偏航、俯仰剑逃、滾轉(zhuǎn)浙宜，所以至少得四個通道
遙控器。
4）控制模式-- 美國手和日本手
美國手和日本手就是遙控桿對應(yīng)的控制通道的設(shè)置不同蛹磺。美國左手操作桿是“油門+偏航”粟瞬，右手為“俯仰+滾轉(zhuǎn)”。日本手則是左手“俯仰+偏航”萤捆，右手“油門+滾轉(zhuǎn)”裙品。目前俗批，國內(nèi)多旋翼操控以美國手遙控器為主。
5）油門
? 油門桿不會自動回中市怎，最低點為0%油門岁忘，最高點為100%油門。這種油門主要對應(yīng)的是期望的推力的大小, 稱直接式油門区匠。
? 還有一種油門是松手油門自動回中干像，屬于增量式油門。
6）遙控距離
根據(jù)功率不同驰弄，遙控器控制的距離也有所不同麻汰。遙控器上也可以使用帶有功率放大（Power Amplifier，PA）模塊戚篙，帶有鞭狀天線五鲫，可以增大操控距離。
（3）開源遙控器
針對遙控器岔擂，目前也有開源項目位喂，可參見網(wǎng)站
? http://www.os-rc.com/
? http://www.open-tx.org/
? http://www.reseau.org/arduinorc/
? 這樣用戶可以根據(jù)自己的需求定制自己的遙控器。
自動駕駛儀
（1）組成
多旋翼自動駕駛儀智亮，分為軟件部分和硬件部分忆某。包括：
1）全球定位系統(tǒng)（GPS）接收器；
2）慣性測量單元（IMU）阔蛉，包括三軸加速度計弃舒、三軸陀螺儀、電子羅盤（或磁力計）状原，目的是得到多旋翼的姿態(tài)信息聋呢；
3）氣壓計和超聲波測距模塊；
4）微型計算機颠区；
5）接口削锰。
（2）作用
1）感知。導(dǎo)航就是解決“多旋翼在哪”的問題毕莱。如何發(fā)揮各自傳感器優(yōu)勢器贩，得到準(zhǔn)確的位置和姿態(tài)信息，是自駕儀飛控要做的首要的事情朋截。
2）控制蛹稍。控制就是解決“多旋翼怎么去” 的問題部服。首先得到準(zhǔn)確的位置和姿態(tài)信息唆姐，之后根據(jù)任務(wù)，通過算法計算出控制量廓八，輸出給電調(diào)奉芦，進(jìn)而控
制電機轉(zhuǎn)速赵抢。
3）決策。決策就是解決“多旋翼去哪兒” 的問題声功。去哪兒可能是操作手決定的烦却，也可能是為了安全，按照規(guī)定流程的緊急處理方案减噪。
（3）開源自駕儀
開源項目（Open-Source Projects） 網(wǎng)址（Web site URL）
Ardupilot http://ardupilot.com
Openpilot http://www.openpilot.org/
Paparazzi http://paparazziuav.org
Pixhawk https://pixhawk.ethz.ch/
Mikrokopter http://www.mikrokopter.de
KKmulticopter http://www.kkmulticopter.kr/
Multiwii http://www.multiwii.com/
Aeroquad http://www.aeroquadstore.com/
Crazyflie https://www.bitcraze.io/category/crazyflie/
CrazePony（國內(nèi)） http://www.crazepony.com/
圓點博士（國內(nèi)） http://www.etootle.com/
匿名飛控（國內(nèi)） http://www.anotc.com/
Autoquad http://autoquad.org/
MegaPirate http://megapiratex.com/index.php
Erlerobot http://erlerobotics.com/
MegaPirateNG http://code.google.com/p/megapirateng
Taulabs http://forum.taulabs.org/
Flexbot http://www.flexbot.cc/
Dronecode(開源無人機航空操作系統(tǒng)) https://www.dronecode.org/
Percepto(無人機開源視覺平臺) http://www.percepto.co/
Parrot API(開放SDK) https://projects.ardrone.org/embedded/ardrone-api/index.html
3DR DRONEKIT(SDK) http://www.dronekit.io/
DJI DEVELOPER(SDK) http://dev.dji.com/cn
DJI MATRICE 100+ DJI Guidance https://developer.dji.com/cn/matrice-100/
SDK for XMission(SDK) http://www.xaircraft.cn/en/xmission/developer
EHANG GHOST SDK(SDK) http://dev.ehang.com/
硬件：
地面站
（1）作用
? 地面站軟件是多旋翼地面站的重要組成部分
? 操作員通過地面站系統(tǒng)提供的鼠標(biāo)短绸、鍵盤车吹、按鈕和操控手柄等外設(shè)來與地面站軟件進(jìn)行交互
? 預(yù)先規(guī)劃好本次任務(wù)的航跡筹裕，對多旋翼的飛行過程中飛行狀況進(jìn)行實時監(jiān)控和修改任務(wù)設(shè)置以干預(yù)多旋翼飛行
? 任務(wù)完成后還可以對任務(wù)的執(zhí)行記錄進(jìn)行回放分析
數(shù)傳
（1）作用
數(shù)傳電臺是指借助DSP 技術(shù)和無線電技術(shù)實現(xiàn)的高性能專業(yè)數(shù)據(jù)傳輸電臺。采用數(shù)字信號處理窄驹、數(shù)字調(diào)制解調(diào)朝卒、具有前向糾錯、均衡軟判決等功能的無線數(shù)據(jù)傳輸電臺乐埠。數(shù)傳電臺一端接入計算機（地面站軟件）抗斤，一端接入多旋翼自駕儀，通訊采用一定協(xié)議進(jìn)行丈咐，從而保持自駕儀與地面站的雙向通訊瑞眼。
（2）指標(biāo)
1）頻率】醚罚可選擇：433MHz或915MHz伤疙。美洲地區(qū)可用915 MHz，歐洲和中國等一般用433 MHz辆影，對915 MHz頻段是禁用的徒像。
2）傳輸距離
3）傳輸速率
（3）通訊協(xié)議
? 通信協(xié)議又稱通信規(guī)程，是指通信雙方對數(shù)據(jù)傳送控制的一種約定蛙讥。只要按照一定的通訊協(xié)議锯蛀，可以使得地面站軟件通用起來，可以兼容不同的自駕儀次慢。
? MAVLink通訊協(xié)議是一個為微型飛行器設(shè)計的非常輕巧的旁涤、只由頭文件構(gòu)成的信息編組庫。MAVLink最初由勞倫茲·邁耶根據(jù)LGPL（Lesser GeneralPublic License）許可在2009年初發(fā)表迫像。Openpilot自駕儀采用了UAVTalk協(xié)議與地面站進(jìn)行通訊劈愚。
