我國無人機一直占據(jù)全球最大市場份額，作為無人機與智能產(chǎn)業(yè)研發(fā)第一大國，那么無人機又是如何實現(xiàn)飛行的呢？

無人機系統(tǒng)組成

無人機主要包括飛機機體、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等。飛控系統(tǒng)又稱為飛行管理與控制系統(tǒng)，相當(dāng)于無人機系統(tǒng)的“心臟”部分也就是無人機的核心部件，目前也是全球無人機遇到的一個瓶頸問題。

對無人機的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、精確度、實時性等都有重要影響，對其飛行性能起決定性的作用；數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)可以保證對遙控指令的準(zhǔn)確傳輸，以及無人機接收、發(fā)送信息的實時性和可靠性，以保證信息反饋的及時有效性和順利、準(zhǔn)確的完成任務(wù)。發(fā)射回收系統(tǒng)保證無人機順利升空以達到安全的高度和速度飛行，并在執(zhí)行完任務(wù)后從天空安全回落到地面。

無人機是怎么飛起來的？

多旋翼無人機也是由電機的旋轉(zhuǎn)，使螺旋槳產(chǎn)生升力而飛起來的。比如四旋翼無人機，當(dāng)飛機四個螺旋槳的升力之和等于飛機總重量時，飛機的升力與重力相平衡，飛機就可以懸停在空中了。

根據(jù)牛頓第三定律，旋翼在旋轉(zhuǎn)的同時，也會同時向電機施加一個反作用力（反扭矩），促使電機向反方向旋轉(zhuǎn)。這也是為什么現(xiàn)在的直升機都會帶一個「小尾巴」，在水平方向上施加一個力，去抵消這種反作用力，保持直升機機身的穩(wěn)定。

而回到四旋翼飛行器上，它的螺旋槳也會產(chǎn)生這樣的力，所以為了避免飛機瘋狂自旋，四旋翼飛機的四個螺旋槳中，相鄰的兩個螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向是相反的。

如下圖所示，三角形紅箭頭表示飛機的機頭朝向，螺旋槳M1、M3的旋轉(zhuǎn)方向為逆時針，螺旋槳M2、M4的旋轉(zhuǎn)方向為順時針。

當(dāng)飛行時，M2、M4所產(chǎn)生的逆時針反作用力（反扭矩）和M1、M3產(chǎn)生的順時針反作用力（反扭矩）相抵消，飛機機身就可以保持穩(wěn)定，實現(xiàn)平穩(wěn)飛行。

不僅如此，多軸飛機的前后左右或是旋轉(zhuǎn)飛行的也都是靠多個螺旋槳的轉(zhuǎn)速控制來實現(xiàn)的。

垂直升降

這個很好理解，當(dāng)飛機需要升高高度時，四個螺旋槳同時加速旋轉(zhuǎn)，升力加大，飛機就會上升。當(dāng)飛機需要降低高度時同理，四個螺旋槳會同時降低轉(zhuǎn)速，飛機也就下降了。

之所以強調(diào)同時，是因為保持多個旋翼轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定，對保持飛行器機身姿態(tài)來說非常重要，看了之后的講究你就會明白。

原地旋轉(zhuǎn)

上面已經(jīng)提到，當(dāng)無人機各個電機轉(zhuǎn)速相同，飛機的反扭矩被抵消，不會發(fā)生轉(zhuǎn)動。

但是當(dāng)要飛機原地旋轉(zhuǎn)時，我們就可以利用這種反扭矩，M2、M4兩個順時針旋轉(zhuǎn)的電機轉(zhuǎn)速增加，M1、M3號兩個逆時針旋轉(zhuǎn)的電機轉(zhuǎn)速降低，由于反扭矩影響，飛機就會產(chǎn)生逆時針方向的旋轉(zhuǎn)。

水平移動

多軸飛機與我們平時乘坐的客機不同，沒有類似客機那樣垂直于地面的螺旋槳，所以無法直接產(chǎn)生水平方向上的力來進行水平方向上移動。

當(dāng)然這難不倒我們，還拿上圖的四旋翼來說，當(dāng)需要按照三角箭頭方向前進時，M3、M4電機螺旋槳會提高轉(zhuǎn)速，同時M1、M2電機螺旋槳降低轉(zhuǎn)速，由于飛機后部的升力大于飛機前部，飛機的姿態(tài)會向前傾斜。

傾斜時的側(cè)面平視如下圖，這時螺旋槳產(chǎn)生的升力除了在豎直方向上抵消飛機重力外，還在水平方向上有一個分力，這個分力就讓飛機有了水平方向上的加速度，飛機也因而能向前飛行。

相反的：當(dāng)M1、M2電機加速、M3、M4電機減速時，飛機就會向后傾斜，從而向后飛行。

同理可得：當(dāng)M1、M4電機加速，M2、M3電機減速時，飛機向左傾斜，從而向左飛行；

當(dāng)M2、M3電機加速，M1、M4電機減速時，飛機向右傾斜，從而向右飛行。

其實在多旋翼之前，人們是用更復(fù)雜的固定翼飛機和直升機來進行航拍的。

但固定翼飛機的起飛降落對場地要求非常高，也不能懸停，沒法垂直上升下降，局限性太大。

而直升機雖載重大、速度快，但是它結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜而精密，上千個零件無論是從調(diào)試還是保養(yǎng)方面都非常的麻煩。

相比而言，多旋翼的飛行原理簡單，機身結(jié)構(gòu)也就更加簡單可靠，消費者可以很快的上手飛行而不需要過多的調(diào)試和保養(yǎng)，因此多旋翼很快占領(lǐng)了航拍市場。

完整的多旋翼航拍無人機系統(tǒng)

一架完整的多旋翼航拍無人機也可以被分為以下幾大系統(tǒng)：飛控系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、圖傳系統(tǒng)、云臺、航拍相機。

飛控系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)（Flight control system）可以看做無人機的大腦，飛機是懸停還是飛行、向哪個方向飛，都是由飛控下達指令的。

飛控是如何做到控制飛機保持姿態(tài)的呢？這是由于飛控包含“小腦”，也就是有數(shù)個傳感器，基礎(chǔ)的飛控包含了如下傳感器：

GPS：用于獲取飛機的經(jīng)緯度信息，確定自己的位置；

氣壓計：用于測量當(dāng)前大氣壓，獲取飛機的高度信息；

IMU：慣性測量單元，包含一個三軸加速度計和一個三軸陀螺儀，來測量飛機在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)。

指南針：用于分辨飛機在世界坐標(biāo)系中的朝向，也就是把東南西北和飛機的前后左右聯(lián)系起來。

一套飛控

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在的一些航拍無人機上還加入了更多的傳感器，例如超聲波可在近地面測量精準(zhǔn)高度、光流可在沒有GPS的室內(nèi)幫助飛機定位懸停。

用以上傳感器收集到信息后，飛控會對數(shù)據(jù)進行融合，判斷出飛機當(dāng)下的位置、姿態(tài)、朝向等信息，然后對如何飛行進行決策。

遙控系統(tǒng)

遙控系統(tǒng)包含地面的遙控器和飛機端的接收模塊。除了俯仰（pitch）、橫滾（roll）、航向（yaw）、油門（throttle）兩個搖桿的四個通道外，還包含了切換飛行模式、控制云臺轉(zhuǎn)動、控制相機拍照等功能。這些指令都會通過遙控器的發(fā)射系統(tǒng)，用無線信號傳遞給飛機，由飛機上的接收模塊接收信號，目前主流無線電信號是2.4G信號。

遙控器與接收機

動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)包括無人機的電調(diào)、電機、槳葉、動力電池。

電調(diào)：全稱電子調(diào)速器，把動力電池提供的直流電轉(zhuǎn)換為可直接驅(qū)動電機的三項交流電。電調(diào)接收飛控指令后，控制電機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)飛機的傾角改變。

電機：目前主流電機為無刷電機，電機的作用就是通過轉(zhuǎn)動，帶動螺旋槳的轉(zhuǎn)動，從而提供升力。

槳葉：槳葉固定在電機軸上，隨電機的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，為無人機帶來升力，實現(xiàn)飛行。

動力電池：航拍無人機目前多使用鋰聚合物為動力，把數(shù)片電芯串并聯(lián)在一起，為飛行提供動力。

槳葉、電調(diào)、電機

圖傳系統(tǒng)

圖傳顧名思義就是把飛機上看到的圖像傳輸?shù)绞褂谜呙媲暗钠聊簧希嬅嫱?，圖傳也傳輸飛機的飛行數(shù)據(jù)。因此使用者可在顯示屏、APP上看到飛機實時的圖像和高度、速度信息。圖傳通常使用5.8G、2.4G頻段。

常用的圖傳有模擬圖傳和數(shù)字圖傳兩種，目前在航拍無人機中數(shù)字圖傳以質(zhì)量高、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢更受消費者青睞。

而數(shù)字圖傳中，又以大疆的LightBridge技術(shù)效果最為拔群，不過最近以色列的Amimon CONNEX公司也推出了低延時的數(shù)字圖傳，不知道效果怎樣呢？

圖傳系統(tǒng)

云臺

如果有嘗試過手持手機步行錄像就會發(fā)現(xiàn)畫面存在抖動，飛機機身的晃動也會帶來畫面的抖動，為了消除抖動，就有了云臺。云臺通過三軸加速度計和三軸陀螺儀中獲取數(shù)據(jù)，并計算出傾角，反向修正位置來維持相機畫面的水平。

三軸云臺可消除各方向上的抖動，為此云臺上有三個電機，如飛機向右傾斜，云臺向左反向傾斜，與地面保持相對水平，從而實現(xiàn)畫面增穩(wěn)。

GoPro 云臺

航拍相機

部分航拍無人機包含相機，有的則需要搭配GOPRO或其他相機。專用的航拍相機與普通相機基本相同，只是由于航拍被拍攝物一般離相機距離遠(yuǎn)，有物距大，景深大的特點，另航拍相機多使用廣角、定焦鏡頭。

這幾大系統(tǒng)，基本都是早年航模留下來的分類。

那么無人機身上的各個部件，到底有什么作用？

消費級航拍無人機多為四軸和六軸，每個軸上的電機帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生升力，并以此飛行。目前主流的電機是無刷電機，電機分為定子和轉(zhuǎn)子，下圖的繞組線圈就是電機的定子，通過磁場驅(qū)動永磁磁鋼也就是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，電機就轉(zhuǎn)起來了。

左邊為轉(zhuǎn)子，右邊為定子

常聽人們問這個電機是2212還是2312的？這四位數(shù)字到底是什么意思呢，其實這是電機的尺寸。這表示電機定子的直徑是23mm，定子的高度是12mm。前兩位數(shù)字越大的電機越寬，后兩位數(shù)字越大的電機越高。

常見的螺旋槳有塑料、碳纖等材質(zhì)，還有2、3葉之分，精靈4用的是兩葉的槳。為什么不用三葉槳呢？因為簡單的增加葉數(shù)并不能增加升力，還要考慮阻力，電池放電能力等因素。

螺旋槳也常用4位數(shù)來表示尺寸，例如精靈4采用9450槳葉，其中前兩位表示槳葉的直徑，后兩位表示槳葉的螺距。

螺旋槳的安裝的方式也各不相同，消費級航拍無人機有以下幾種安裝螺旋槳的方式。

螺絲固定槳葉

通過螺絲來固定槳葉，常見于航模。

通過螺紋把螺旋槳旋轉(zhuǎn)固定在電機上，在電機旋轉(zhuǎn)的過程中由于旋轉(zhuǎn)的力會擰緊槳葉，但某些情況下會有射槳的風(fēng)險。

快拆槳

如自緊槳螺紋損壞或電機由于堵轉(zhuǎn)陡停，會導(dǎo)致槳葉脫離電機飛出（射槳），因此目前國內(nèi)的飛機傾向于使用可靠性更高的快拆槳。

消費級航拍無人機在機臂下方一般都有著LED燈，這燈并非僅為裝飾，而是大有用處的。

在飛行中前方紅色的LED燈起到了表明飛機位置和機頭朝向的作用，后方的燈則表明飛機的實時狀態(tài)，例如飛機正常情況下綠燈慢閃，失控時黃燈快閃，低電量時紅燈慢閃。

無人機的電子設(shè)備也是怕水的，像手機一樣，進水后會影響保修，因此在機身中貼有一張防水標(biāo)簽，遇水變紅，如果維修時這張標(biāo)簽是紅色，就會影響保修。所以雨天、大霧天還是不要飛行，回南天也要注意防止進水。

上圖中間兩個大的圓孔是超聲波模塊，運用了超聲波原理來在低空情況下精準(zhǔn)定高；兩側(cè)較小的兩個圓形是視覺定位模塊，類似兩個眼睛，利用了圖像識別技術(shù)使其在室內(nèi)也可懸停。

目前無人機避障有幾種技術(shù)，比如視覺避障、英特爾realsense技術(shù)、超聲波避障技術(shù)。

連接著相機和機身的部件叫做云臺，云臺可以保持相機在飛行時的穩(wěn)定，消除畫面抖動。精靈4將部分云臺做到了機身中，使得整個機身線條更加流暢。

為保證畫面實現(xiàn)各個方向上的增穩(wěn)，云臺分別有三個軸：俯仰、橫滾、航向，每個軸都有一個電機，用于在飛機傾斜時讓畫面仍保持平穩(wěn)。

其實在最早飛的時候，飛無人機用的遙控器基本是這樣：

雖然看著很多按鈕、撥桿很酷炫，但是使用難度也很高，什么功能對應(yīng)哪個開關(guān)都需要進行設(shè)置，油門行程校準(zhǔn)之類的操作也要自行完成。這樣一臺遙控器的使用指南往往長達數(shù)十頁，難倒了一眾新人。

后來在一體機中，為了能快速上手操作使用遙控器功能，遙控器被大大簡化了。

遙控器進行更新后，更多的操作都可直接在遙控器上進行，遙控器上加入了操作頻率高的拍照、錄像按鈕以及重要的返航按鈕。這時每個按鍵變得更直觀，人機工程做得更合理。

無人機術(shù)語

多旋翼：是一種具有兩個旋翼軸以上的旋翼飛行器，常見多旋翼有四旋翼、六旋翼、八旋翼等。那么無人機在操作運用的過程中，又有哪些術(shù)語呢？

俯仰：Pitch，由美國手右搖桿上下控制，打桿控制飛機向前/后飛行。

由于圖示中的飛機是固定翼，所以在俯仰時會有高度變化，而多軸飛行器俯仰時不會有高度變化，只會前后飛行。

橫滾：Roll，由美國手右搖桿左右控制，打桿控制飛機向左/右飛行。

由于圖示中的飛機是固定翼，所以在橫滾時也會前后位置變化，而多軸飛行器橫滾時不會前后飛行，只會左右飛行。

航向：Yaw，有美國手左搖桿左右控制，打桿控制飛機向左/右旋轉(zhuǎn)。

由于圖示中的飛機是固定翼，所以在旋轉(zhuǎn)時也會有位置變化，而多軸飛行器旋轉(zhuǎn)時不會位移，只會原地旋轉(zhuǎn)。

由于操作習(xí)慣不同，遙控器的搖桿布局有三種，中國手（反美國手），美國手（多旋翼最常用），日本手。

炸機：飛機在飛行或起降過程中，由于操作問題或機械故障導(dǎo)致飛機撞擊障礙物或墜落的事故，統(tǒng)稱炸機。

爽飛：一般指在飛行期間沒有任何意外，飛行地非常順利。

一鍵放生：一般指一鍵返航時無人機飛丟，放生的原因可能是撞到障礙物、指南針受到干擾或者GPS失去信號。

提控回家：指無人機飛丟，找不到，無奈只能拎著遙控器回家。

冗余：為增加可靠性，在必備系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加備份。如使用雙IMU，在一個IMU故障時可由另一個IMU承擔(dān)其功能，六軸如動力有冗余，在單個電機缺少動力時仍可飛行。

信道：是信號在通信系統(tǒng)中傳輸?shù)耐ǖ溃缤粓龅貎?nèi)多架飛機使用同一信道，圖傳會相互干擾。

過放：電池正常放電至截止電壓后，繼續(xù)放電導(dǎo)致電池內(nèi)部遭到不可逆的損壞。

射槳：在電機旋轉(zhuǎn)過程中，原本在電機上的螺旋槳脫離飛出被稱作射槳。

果凍：航拍中所說的「果凍」是由于震動過大、減震球不合適等原因造成照片、視頻中出現(xiàn)類似下圖的抖動現(xiàn)象，由于神似被戳動的果凍而被成為“果凍”。

丟星：飛機GPS模塊搜不到足夠的衛(wèi)星，容易導(dǎo)致飛機無法定點懸停，發(fā)生飄移。

壓差：無人機鋰電池由數(shù)塊電芯串并聯(lián)而成，通常電芯電壓相近，電芯最高與最低電壓的差值即是壓差，壓差過大則電池不宜繼續(xù)使用。

還有哪些術(shù)語你不懂？或者你覺得應(yīng)該還有哪些該加進來的呢？