作者：（美）Make杂志编辑
出版社：人民邮电出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
爱上无人机：原理结构、航拍操控与DIY实例精汇试读：
内容提要
本书内容是从《Make（爱上制作）》杂志中精选出来的最受欢迎的无人机设计实例，可以为入门级爱好者提供很好的创意性启发。本书将向读者提供多款时下流行的四轴飞行器、无人机的制作实例，给出每个实例的用材、设计方案、制作步骤、编程技巧、操作方法，是无人机爱好者、创客们很好的参考性图书。01 特点
本书中的第一部分收集了《Make》杂志的许多特色文章，向你介绍了无人机的世界，这种自动飞行器大多出自于称为四轴飞行器的小型四旋翼直升飞机。
第一篇文章将会使你了解无人机是什么，同时更为重要的是它不能做什么。第二篇文章会为你提供关于无人机各部分的详细解说：从机身到螺旋桨，从电源到核心组件。随后的文章将会讲解无人机的工作原理、正确使用无人机为人们带来的好处，例如将食物与生活必需品投送到世界各地处于战乱中的难民手中，以及其他远程飞行器的用途。当你顺利学习并理解了这5篇文章后，你就会更好地理解和享受本书剩下的章节。
另外需要注意的是，本书中很多单位保留为英制单位，你可据此进行换算：1英寸≈2.54cm；1英尺≈0.3048m；1盎司≈28.35g。理解无人机
并不是所有人都喜欢“无人机”这个词——工业和军事专家都避免在公共场合使用“无人机”一词。他们更喜欢使用“无人飞机系统或设备”这一术语，或者使用缩写：UAS或UAV。尽管人们对军方与间谍无人机有很多担忧，“无人机”这一名称还是广为流传，并且被热衷于浏览DIY无人机网站的狂热爱好者和例如L.A.-Drone Dudes的专业航拍摄影师所广泛使用。那么到底什么是无人机呢？——Dale Dougherty，《Make》杂志的创始人，Maker Faire的缔造者
Drone（无人机）这一单词在英语中起初的含义是雄蜂。在蜜蜂家族中，除蜂后外，雄蜂体积是最大的；而且在生理结构上，雄蜂有一对比较大的复眼。但是雄蜂的真正工作只有繁衍后代。雄蜂在傍晚的时候聚集到一个集合区域，它们将在那里与蜂后配对。一旦雄蜂交配成功，它们就会在半空中表演某些动作，最终雄蜂会从空中坠落，这就是雄蜂所做的事情。
通过雄蜂没有太多工作这一概念可以引申出来一个推论：雄蜂依靠其他蜜蜂的工作成果来生存，也就是寄生。事实上，在夏末时分，工蜂会将剩余的雄蜂赶出蜂巢。这是因为雄蜂好逸恶劳，而且来年春季还会有新的雄蜂加入集体。
问题随之而来，我们不但要弄明白无人机的定义，而且必须清楚我们通过无人机能做什么和不能做什么。一些人赞同无人机是无人驾驶的，而另外一些人认为有人在操控无人机，并且提出了“远程人控驾驶飞行器”这一概念，缩写为RPA。这一称呼不会将无人机与远程遥控飞行器区分开来，但是会将无人机的具体责任问题集中到一个特定的操控者身上。无人机的操控可以分为手动模式和编程模式。
区分无人机的标准就是看其是否可被操控。如今，典型的飞行器都有一个手动操作与自动操作的转换开关。倘若使用正确的操作仪器，并且读取正确的数据，在一个新手操作时，是否可以预先在无人机中编入环境感知程序呢？无人机可以在问题出现前进行预测，例如一阵大风吹来时，或者遇到突然出现的障碍物时，它都会采取相应的措施。而且，无人机之间也可以相互感知。
无人机是否属于机器人，并且遵守阿西莫夫的机器人三大定律呢？我们所需的无人机坚决不能伤害人类，而且拥有适当的自我保护措施，相比其他自动驾驶的交通工具，无人机在这方面的要求更为严格，因为无人机很有可能会被误认为拥有独立的思想。
然而如今，无人机的相应责任都落到遥控无人机的那个人身上。当你使用无人机时，你不仅是一个使用者——你还是一个飞行员。你必须保护好你的设备和自己的安全，最重要的是，不要伤害到其他人，一个不合格的飞行员可能会伤到他人或者侵犯他人隐私。记住，使用无人机可不像养一个宠物或者开一辆车那么简单。
像Drone Dudes那样优秀的飞行员都会担心一个问题：一些对无人机操控不熟练的人会吸引太多人的注意，进而引发公众恐慌，最后导致政府限制或者取消无人机的商业用途和娱乐用途。之所以我们需要更好的科技，是因为熟练掌握无人机操控的人太少。
对于制造者来说，最有趣的挑战不只是制造和遥控无人机飞行，而是探索无人机的优点和一些创新的应用，以及制造者将要面临的困难问题。否则，飞行器和四轴飞行器只会以玩具的方式售卖，而不是以工具的方式售卖，并且使用者很可能只会有“三分钟热度”，失去兴趣后就不再去使用它。我们希望无人机可以成为推动科技发展的一个平台，并且在其中也调整无人机自身的利弊平衡。从多轴飞行器开始
关于如何制作、购买、飞行和使用多轴遥控飞行器的小贴士。——出自《Make：31》，Frits Lyneborg
多轴飞行器是一种类似于马车轮子构造的飞行机器。它有一个集电子元器件、电源和传感器于一体的中央毂，和一个装有螺旋桨轴的支架结构。飞行器的名字取决于轴的数量：三轴飞行器（trirotor）有三个轴，四轴飞行器（quadrotor）有四个轴，六轴飞行器有六个轴，八轴飞行器有八个轴。还有很多其他的版本，但以上说的4种是最为流行的。
多轴飞行器有很多种名字，而且有很多种有待争论的称呼，但我坚持称呼它们为多轴飞行器，因为这一称呼在网络上最为普遍，同时也可以在网上搜索到更多的相关信息。为什么要尝试多轴飞行器呢？可能是因为你会一见钟情；或者你曾经玩过遥控飞机，现在想尝试一个新的方式；或者你很热衷于DIY一些电子产品；再或者，你想尝试一下航拍。无论你的目的是什么，它给了你一个新的选择。我已经使用过很多种多轴飞行器，并且亲自制作了3架多轴飞行器，所以我想要与你分享一些我掌握的技巧。产品历史
在2003年，中国香港银辉电子公司在报纸中得知一则消息：同为学生的Daniel Gurdan和Klaus M.Doth在德国青少年科学竞赛中获胜（见图2-1）。Gurdan和Doth的参赛作品便是一个由无线电控制，并可以自动平衡的四轴飞行器。图2-1Gurdan和Doth
在2004年末，银辉电子公司开始自产X-UFO，一种由学生设计的（见图2-2）的简易和廉价版的飞行器。这一产品冲击了国际市场，并且将缩小版的遥控多轴飞行器的概念植入人心，这就是我们为何可以在当今的市场上看到无人机的原因。图2-2银辉X-UFO工作原理
在常规直升机中，尾部旋翼的作用是提供水平方向的推力，进而中和主旋翼的扭转力，以防直升机的主体围绕主旋翼旋转（见图2-3）。图2-3常规直升机如何工作
相比而言，多轴飞行器的工作原理大不相同。以四轴飞行器为例：螺旋桨的旋转方向是不同的（见图2-4），这是为了抵消相邻螺旋桨的扭转力。图2-4四轴飞行器的螺旋桨以相反的方向旋转
更重要的是，多轴飞行器带有一个主控板，用于控制每个螺旋桨的转速，确保每个螺旋桨的转速、倾斜度、偏航度一致，以及保持方向舵控制好中心点以及轴点，以便满足它飞往任意的方向。你的第一个多轴飞行器
最适合初学者的多轴飞行器的重量很轻：飞行器越轻巧，坠机时对周围及飞行器自身所造成的伤害就越小，原因是初学者很容易坠机。反之，飞行器越大，操控时就越危险。大型飞行器的螺旋桨可以划开衣服和皮肉，并且造价也很昂贵。轻版本的飞行器的缺点则是可携带的外设（相机及其他传感器）较少，并且飞行的时间较短；而优点则是更加便宜。具有讽刺意味的是，由于携带较少的传感器及整体结构简单，轻版本的飞行器通常难以操控，但这是一件好事。为什么这么说呢？这是因为当你学会如何操作轻版本的飞行器时，那么使用一个大型、复杂的多轴飞行器对于你来说就易如反掌了，甚至可以让飞行器自动飞行，但是不要这么做，因为自动飞行时一旦出错，错误就会接连不断。制造属于你自己的多轴飞行器
在你接触多轴飞行器之后，你会发现自己动手做一个飞行器也不是什么难事。以下是一些基础配件。电池与电机
真正神奇的部分是将锂聚合物（LiPo）电池与无刷式电机相结合。这两种元器件，再加上一个带有遥控飞机螺旋桨的常规电机，就可以使这些部件飞起来。事实上，这种组合可以让任何东西飞起来。电子速度控制器和控制主板
器（ESC）的小型单元模块操控，ESC需要接收信号来决定该给电机多少动力。在多轴飞行器中，信号源自于一个特殊的控制主板，控制主板和一个标准的遥控飞机接收器相连，也可以和其他外设相连，例如GPS，但是你要考虑一下钱包的感受。现如今最流行的两种主板分别是HobbyKing’s Multi-Rotor Control Board V2.1(hobbyking)和Multi RC Shop’s KK Plus V5.5e MulticopterController(multircshop)，这两种主板都以Atmel的ATmega168微控制器主板（见图2-5）为原型。面向Arduino的设计者们都偏向于DIY无人机ArduCopter系统（copter.ardupilot），将ArduPilot Mega的主板安装到ATmega2560主板上（见图2-6）。图2-5KK Plus主板图2-6ArduCopter主板机身和远程控制装置
多轴飞行器的机身可由任何材料制成，也包括木材，所以唯一具有“魔力”的部分就是它的控制主板。其余的就是远程控制装置：一个四路发送器和接收器，通过一个连接器将其和其余部件连接。在Google上搜索“multicopter control board”，这将会带你开始无人机之旅，并且为你介绍大量关于无人机制造的说明，同时推荐你访问rcexplorer,hobbyking,diydrones来获取更多资讯。使用多轴飞行器录制视频
在空中拍摄视频是众多多轴飞行器爱好者的梦想。不幸的是，许多人花费了很多资金也没有拍到一些专业的画面，而在真正的直升机上，只需要少许费用。一些商店用飞行器爱好者的梦想来作卖点，我认为这是不公平的，所以我建议你在购买前应该认真考虑。做个试验：将你的相机绑在扫帚柄的一端，尝试用这一方式来得到一个连续镜头。然而你可能会得到一些有趣的角度和“伪艺术”的作品，通常得到的镜头只是“来自于扫帚柄的末端”，最终你会发现难以得到像以前手握相机时拍下的画面。使用多轴飞行器拍摄的原理与此类似。你可能会在一些视频网站上找到一些由多轴飞行器拍下的很酷的画面，但这些视频的主旨是在展示飞行的过程（看！我在飞），而不是局限于特定的人操作。如果你努力练习，你可能会得到很酷的画面，但其中幸运的成分相对更多，除非你的飞行器可以将视频实时传输到地面（查看“相机和视频向地传输”部分）。如果你拍下一张房子的照片，它将会呈现一个笨拙的整体构图；如果你想要录制移动的物体，中心物体不会稳定地处于镜头中，画面也将会乱晃，所以这并不容易。平衡环和陀螺仪
你可以花费高昂的价钱购买带有陀螺稳定器的相机支架和平衡环。但是在你这么做之前，先去看看那些未加工的影片（至少时长为一分钟，并且不使用高速镜头、不编辑为短片形式、无后期制作）。我不推荐两轴陀螺平衡环，因为在我的经验中，无论它多么昂贵，在拍摄画面时都会产生剧烈的振动（三轴产生的振动更恐怖）。我不认为这一类外设有很大的用途，因为多轴飞行器在把握好方向后的状态同样稳定。最好的底座往往是一些很简单的东西，例如可弯的塑料管和泡沫海绵。接受相机难以稳定工作的现实吧。相机和视频向地传输
如果你多加练习，你会通过多轴飞行器得到一些很酷的相片或者视频，但是如果你的操作水平位于中等级别，那就不要抱怨略微模糊的画面了，使用一个更轻的相机，专注于在空中使用相机拍摄移动镜头。我所见过最好的视频使用的是广角镜头，通常这些镜头出自于GoPro相机品牌（见图2-7），这种镜头的每秒传输帧数为60帧/秒，给人一种慢镜头的感觉。相机越轻，飞行的表现就越稳定。首先考虑8盎司及以下重量，最终受益的将是你所得到的视频。事实上在你观看实时录像的内容时，你处于“第一人称视角”（FPV）。视频对地传输的方式取决于以下几个因素。图2-7可与无人机搭配的GoPro相机费用、重量和电源续航力
你所使用的天线的接受范围有多远？在你的国家，法律允许的无线电频率是多少？哪个无线电频率已经被使用过？
传输功率
使用1W及其以上功率时可能需要相应的操作许可。有关频率调节信息的内容请参考http://makezine.com/go/hamradio。
电磁脉冲
大功率的发送器会造成伺服系统和其他电子元器件的故障。这些事情无法避免，而我也没有什么黄金法则来分享。有时候故障就是毫无征兆地发生了。
通常来说，当你想要飞行器具备轻量级、可控范围广，并且处于稳定无线频率的特点时，那么你就不会考虑随意的TV传送装置。去一家拥有多轴飞行器视频传输经验的商店来购买你想要的东西，如果你购买了一副带有显示器的视频眼镜（见图2-8），那么你就可以实时观看无人机上的相机所拍下来的画面。别的不说，通过遥控装置来拓宽自己的视野也是一件很酷的事情。图2-8“第一人称视角”视频眼镜走向远方：无人多轴飞行器
一旦你掌握了如何遥控多轴飞行器，你便会想要尝试无人操作。大多数人所说的无人机是指可通过GPS定位和寻找航路点来自主飞行的飞行器，这是很特别的。其中一个例子便是ArduCopter，由DIY Drones团队以Arduino自动飞行为基础进行改进的控制方式（见图2-9）。图2-9一些ArduCopter的画面
通过相机记录，我们也可以对无人机进行些比较流行的设置，相机会根据无人机的飞行轨迹来计算相应数据（通过在无人机上增加定位点）。或许你也可以让无人机飞向太阳，这全都是传感器的功劳。如果你使用无人机做某些实验，要确保无人机处于你的视野范围之内。我所了解的大多数系统内部设置的操作范围为250m。一旦你开始接触多轴飞行器，你会发现“自主操控”和“远程遥控”之间没有一个清晰的界限。任何多轴飞行器都包含一定程度的自主调节（否则飞行器会坠毁），并且几乎所有的自主飞行器都有返航远程遥控的选项（以防危险情况发生）。关于多轴飞行器，自动和人工都是相对而言的。无人机的具体结构标准螺旋桨
采用与常规前置引擎遥控飞机相同的“牵引式”螺旋桨，如上页图中的橙色区域所示。“推进式”螺旋桨
这种螺旋桨以逆时针的方向旋转，这是为了在水平飞行时抵消电机的扭转力。不同的倾斜度使飞行器得到上升的动力。如上页图中暗灰色区域所示。电机
飞行器往往采用无刷电机，这类电机更加高效与可靠，同时产生的噪声要比有刷电机小得多（见图3-1）。图3-1电机电机底座
有时电机底座与起落架支柱是一体的（见图3-2）。图3-2电机装置的特写起落装置与吊杆
飞行器的设计中包括类似于直升飞机所采用的刹车装置，但由于重量方面的限制就省略了起落架（见图3-3）。图3-3起落装置与吊杆吊杆
较短的吊杆可增加飞行器的可操作性，而较长的吊杆则增加机体的稳定性。吊杆必须足够坚固，以保证当飞行器坠毁时，将损害的程度降到最低。主机体
如同自行车路上的辐条，主机体位于中央，吊杆沿中心辐射出去。主机体包括电源、航空电子设备、相机和传感器（见图3-4）。图3-4无人机的主机体电子速度控制器（ESC）
将直流电池产生的电力转为可供无刷电机使用的三相交流电源（见图3-5）。图3-5电子速度控制器（H）和信号接收器（K）飞行控制器
飞行控制器包括信号接收器、GPS模块、电量显示器和机载传感器。用于调控电机转速，通过电子速度控制器来实现转向操作，以及调控相机和其他外设。可控制自动驾驶仪和具备其他自动功能（见图3-6）。图3-6飞行控制处理器GPS模块
GPS模块通常包括GPS接收器和磁力计（用于提供飞行器所处的经纬度、高度数据），以及单独存在的指南针部件（见图3-7）。图3-7GPS模块接收器
接收器普遍为一个标准的遥控无线接收单元。对于四轴飞行器，最少的频道单元为四个，但是我推荐你使用五个频道单元（见图3-5）。天线
天线的样式取决于你的接收器，有可能是扁长的天线，也有可能是用橡胶包裹的螺旋式天线（见图3-8）。图3-8天线电池
锂聚合物（LiPo）电池可以提供强有力的能量与电力支持，并且在市场上极为流行（见图3-9）。图3-9电池（M）和电源组件（N）电池组件
这一部分可为操控者提供飞行时电量的实时监控。平衡环
平衡环可提供一、二、三维坐标轴来保持机身的稳定性，并且协同相机及其他传感器一同工作。陀螺电机
无刷直流电机可以直接驱动角度定位，当然这要求特殊的线路连接和专业的控制电路，这一功能直到近期才被用于商业方面。平衡控制器
平衡控制器可以允许使用者在已设定标准习惯的伺服模式下，直接驱动无刷陀螺电机（见图3-10）。图3-10平衡控制器相机
GoPro或者其他类型的即时硬盘存储相机皆可。通过一些特殊的设备可以实现实时画面传送（见图3-11）。图3-11相机用无人机为遭受战争困扰的叙利亚投递食物与药品
军用固定翼无人机不只是为了投放炸弹——用于给叙利亚提供必需品的非营利无人机——出自《Make：47》，Signe Brewster
2011年叙利亚爆发内战。连年的战争使得叙利亚民众缺少药物和其他必需品，而任何试图进入叙利亚的飞机，都有被某一方击落的危险。多尽一份力
Jacobsen正在攻读政治学博士学位，同时他也是一位前空军一号驾驶员，他这样说道：在如此混乱的氛围下，一架货机想要飞入战场，这简直就是天方夜谭。
他满怀内疚地回到了自己的住处。这似乎不是一个能让人满意的答案。当他与自己的同事交谈时，他开始执着于用一种方式来大量投递包裹——或许只能通过无人机了。他拿出了自己的笔记本，当时已经是凌晨2、3点，然而此刻他的内心毫无倦意。“似乎我的内心有很多种媒介可以投递小型包裹的想法，但是我不知道具体哪种技术可行，是四轴飞行器呢，还是飞机呢，也许是弹射器，或者其他的东西，气球可以吗？”Jacobsen说。“我试着罗列出所有我能想得到的东西。”
就此，Uplift航空和叙利亚空投项目就正式成立了。
Uplift航空计划训练一些地上的难民和其他民众如何使用和维修无人机，首选区域便是叙利亚最大的城市——阿勒颇，那里受到的战争危害最为严重，人民饱受饥饿与疾病的困扰。
无人机到达阿勒颇大概要花费一个半小时。它并不会降落，而是将供给品绑在降落伞上，然后直接进行空投。投送完毕后就立刻返航，回到发射基地后，志愿者们对无人机进行充电，重新进行装载货物等操作，而后立即起飞，再次返回第一现场，就这样日复一日。复杂性
在没有允许的情况下，将任何东西飞入一个国家边境都是有违国际法的，更不用说成百上千的无人机。
Uplift航空还要与叙利亚周边国家的政府进行交谈，例如土耳其和约旦。此外，Uplift航空必须对其无人机的安全性和有益性作出相应的保证。获取无人机起飞准许
Jacobsen表示，Uplift航空只是以救援为目的，他们的无人机一旦在发射基地以外的地方着陆，无人机将自动运行内部的自毁装置。任何距地面过近的无人机都将无法再次启动。同时一旦无人机起飞，他们将不对其发送任何指令，无人机的路径都是预先编排好的，内部定制的固件会阻止无人机在叙利亚境内飞行时收到任何信息，这将保证无人机不会被黑客入侵。这样，他们才获取了无人机在叙利亚境内的飞行许可。一个志愿者团队
在4月的一个晴朗炎热的日子里，Jacobsen和4名志愿者聚集在斯坦福大学的Lagunita湖边。工程师Michael Taylor在电子工程领域拥有博士学位，他带领两名志愿者将无人机发射器放到湖床上。由于加利福尼亚的多年干旱，湖床早已变为一片野草地。图4-1Michael Taylor以及他的Uplift航空“Waliid”无人机（被放置于自制PVC起落架上）图4-2一名志愿者正在测试无人机的无线电操纵
在湖边的一个较高的走廊上，Jacobsen组装并测试了“Waliid”无人机。他还分配给新的志愿者Stuart Ginn（医学实习生）一个任务：检查无人机的软件及飞行前协议。
由于采用泡沫制造，并且用胶带固定，所以无人机的外形不是很美观。它的外形像飞机，而不是市场上出售的四轴飞行器，因为像飞机外形的无人机可以飞行更长的时间。无人机翼展5.7英尺，以黑、绿、红三色涂装。
回到地面上，Taylor和航空航天学博士学生Heather Kline已经制作好了发射台——一个引导无人机升空的7英尺长的PVC支架。Tomoki Eto，一位机械工程专业的毕业生，同时也是一位经验丰富的无人机驾驶员，将橡皮筋的一端固定在距发射台几百英尺外的地方，另一端固定在发射台上，一旦释放橡皮筋，橡皮筋的拉力就会将无人机扔向天空。
整个团队由5人组成，但也可以认为是由15~20人组成，这取决于你如何看待。整件工程的核心位于斯坦福，但是参与的人来自世界各地，都在为这一项目尽心尽力。该项目似乎像是一个通过E-mail、
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