书名：四旋翼无人机遥感侦测平台设计与开发
ISBN：978-7-115-65964-4
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著 张李希 汪驰升 张家胜 朱 武
责任编辑 邓昱洲
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本书介绍了四旋翼无人机的相关知识，包括工作原理、组成、动力系统、遥控系统、PX4 飞控、QGroundControl（QGC）地面站和组装等内容。第一部分（第1～3章）系统介绍四旋翼无人机工作原理与组成，以及动力系统与遥控系统，阐述四旋翼无人机各部件的工作原理及其作用。第二部分（第4、5章）详细介绍PX4飞控的构成与使用，并且逐一讲解与PX4飞控配套的QGC地面站的主要功能和高级应用。第三部分（第6章）结合实际情况，为读者挑选无人机提供方案，并以F330无人机机架为例，逐步展示从零件选购到最终组装完成的全过程，方便读者轻松完成无人机的组装。
本书适合具备一定动手能力，并且对四旋翼无人机感兴趣的读者阅读，也适合参加无人机比赛的初学者或航模发烧友参考与学习。
2023年中央经济工作会议提出，打造生物制造、商业航天、低空经济等若干战略性新兴产业……加快传统产业转型升级。所谓低空经济，就是以民用有人驾驶和无人驾驶航空器为主，以载人载货及其他作业场景低空飞行为牵引，辐射带动相关领域融合发展的综合性经济形态。目前，无人机已经被广泛应用在交通、物流、农业、应急救灾等多个行业及领域。截至2023年，我国低空经济规模超5000亿元。低空经济这一新的经济形态已经成为拉动我国经济增长的新动力之一。
当前，我国已成为全球领先的无人机制造和应用大国。我国无人机产业发展迅速，产品应用范围广泛，涉及农业、物流、影视拍摄、安防监控、测绘等多个领域。在民用无人机领域，我国无人机企业如大疆创新在全球市场占据了显著份额，其产品因技术先进、性价比高而广受欢迎。此外，其他公司如亿航、零度智控等也在不断拓展市场。
除了上述民用无人机研发的领军企业，许多航模爱好者与发烧友也在自行设计、组装属于自己的无人机。本书作者在学习组装无人机之初，发现网络上各类无人机教程内容过于零散，且部分知识多年未更新或不适合零基础的初学者学习，因此希望总结前人与作者自身的无人机组装经验，编写一本方便初学者学习组装四旋翼无人机的图书。
本书以四旋翼无人机设计、组装、调试为核心内容，介绍无人机的工作原理、组成、地面站调参流程、航线规划流程与装配过程等。本书共6章，第1章为引言，介绍常见的3种无人机；第2章介绍无人机工作原理与组成，简单讲解无人机机架、飞控系统及飞控辅助设备；第3章介绍无人机动力系统与遥控系统的参数及选配方法；第4章为PX4飞控与QGC地面站详解，详细介绍PX4飞控构成、PX4飞控与各部件安装、QGC地面站简介与安装、飞控固件烧录与传感器校准等内容；第5章介绍QGC地面站高级应用，即如何使用 QGC 地面站的航线规划功能为无人机规划任务航线，并对无人机飞行模式进行介绍；第6章介绍四旋翼无人机组装实战，包括选购一台无人机的材料以及组装一台无人机的完整步骤。
本书得到了国家重点研发计划（编号：2020YFC1512000）的资助。
很高兴你能打开这本书，如果你对四旋翼无人机感兴趣，想要了解并自己亲手组装一架无人机，这本书会帮助你。你准备好探索这个充满未知和精彩的领域了吗？
让我们一起来追溯一下无人机的发展历程。电影当中的无人机看起来科技感十足，在军事或者科幻题材的影片当中，我们经常能看到许多无人机出现的场景。例如，为了侦察情报，电影中的角色会使用形似蜻蜓或者蝴蝶的仿真无人机，它们可以穿梭在狭小的空间内，侦察情报；电影《流浪地球2》一开场也出现了令人震撼的“掠夺者”无人机群。
这些情境为无人机蒙上了一层科幻的色彩。实际上，无人机的发展历程相当漫长。早在1917年，人们就试着制造了第一架无人机。当时，正处于第一次世界大战期间，英国的卡德尔将军和皮切尔将军在1914年向英国军事航空学会提出了一个大胆的设想：研制一种不用人驾驶，而用无线电操纵的小型飞机，使其能够飞到敌方某一目标区域上空，进行轰炸。这个设想立即得到了当时英国军事航空学会理事长大卫·亨德森爵士的支持。于是，由阿奇博尔德·洛教授率领的研制小组开始了研发工作。为了保密，该计划被命名为“AT计划”。经过多次试验，研制小组首先研制出了一台无线电遥控装置。接着，飞机设计师杰弗里·德哈维兰设计了一架小型单翼机，并将无线电遥控装置安装到这架小型飞机上。
于是，在1917年3月，世界上第一架无人驾驶飞机在英国皇家飞行训练学校进行了第一次飞行试验。然而，飞机刚起飞不久，发动机突然熄火，导致飞机失速坠毁。尽管第一次试验失败，但研制小组并没有灰心，继续进行无人机的研制。10年后，他们终于取得了成功。1927年，由洛教授参与研制的“喉”式单翼无人机在英国海军“堡垒”号军舰上成功地进行了试飞，该机以322千米/时的速度飞行了480千米。这一成就在当时引起了极大的轰动。虽然那时的无人机和现在的无人机相比，简直就是“小巫见大巫”，但是，正是那些勇敢的尝试，让无人机技术逐渐走向成熟。
随着科技的发展，无人机逐渐变得越来越智能化、多功能化。现在的无人机可以做的事情可不只是飞几分钟然后摔到地上。它们可以在天空中自如飞行，拍摄壮丽的风景，甚至还可以用于科学研究和救援行动。我们也不像洛教授的研制小组，历时10年才能打造一台无人机。本书将尽可能让你快速了解无人机的基础知识，手把手教你组装一台无人机，并亲自操作，使它翱翔天际。
但在此之前，先让我们来了解一下目前主流的无人机种类。
固定翼无人机是一种以固定翼为主要飞行结构的无人机，类似于传统飞机的设计，通过翼面产生升力来实现飞行。固定翼无人机通常具有较长的航程和飞行时间，并且能够搭载较大型的机载设备和较高负载，适用于长距离侦察、地形测绘和农业监测等。
固定翼无人机通常采用电机或汽油机驱动螺旋桨旋转，使飞机获得前进的动力，当飞机向前运动时，机翼会产生向上的升力，当升力大于飞机自身重力后，便可起飞。固定翼无人机的飞行效率比多旋翼无人机更高，因此飞行距离更远，飞行载重更大。图1.1所示为某固定翼无人机。
图1.1 固定翼无人机
固定翼无人机的优点如下。
① 长航程：固定翼无人机由机翼提供升力，可使用单一发动机作为动力源，通常具有较长的航程和飞行时间，能够长时间停留在空中执行任务。
② 高速飞行：固定翼无人机飞行速度一般较快，能够迅速覆盖大范围的区域，提高任务执行效率。
③ 较强的风险适应能力：由于其飞行方式和结构特点，固定翼无人机具有较强的风险适应能力，能够在复杂的气象条件下安全飞行，并且在失去动力后仍可通过滑翔提供一定升力进行迫降操作。
固定翼无人机的缺点如下。
① 不适合垂直起降，需要较大的起降空间：由于其固定翼结构，固定翼无人机不能像多旋翼无人机那样垂直起降，通常需要较长的跑道或者滑行道进行起降，不适合在狭小的空间内飞行，部分轻型或小型固定翼无人机可采用手抛起飞的方式，但较大型的固定翼无人机则无法采用。
② 需要专业人员操作：固定翼无人机的飞行需要对飞机的副翼、升降舵、油门、方向舵进行综合操作，操作难度相对较高，通常需要具有一定飞行技能和经验的专业人员进行操作和控制。因此相比多旋翼无人机，它的学习难度更大，上手门槛更高。
固定翼无人机的用途如下。
① 长距离侦察：固定翼无人机可以长时间、长距离飞行，因此常被用于执行军事侦察、边境巡逻等任务。
② 地形测绘：固定翼无人机配备地形测绘设备后，可以高效地对地表进行测绘和建图，广泛应用于地理信息系统（Geographic Information System，GIS）等。
③ 农业监测：固定翼无人机配备红外线和多光谱传感器后，可以实现对农田的精准监测和施肥，提高农业生产效率。
固定翼垂直起降无人机是一种结合了固定翼和多旋翼优点的无人机，既具备如多旋翼无人机垂直起降的能力，又具备固定翼无人机的长航程和高速飞行特性。这种设计使其在有垂直起降或长距离飞行要求的任务中表现优异。
图1.2所示为一款固定翼垂直起降无人机，这款无人机的整体外形与固定翼无人机相似，可看成在固定翼无人机机体的基础上，在两侧机翼前/后各增加一副由电机驱动的旋翼。
在固定翼垂直起降无人机的起飞阶段，4 个旋翼上的电机启动，推动旋翼产生升力，类似四旋翼无人机的起飞过程。当其上升至指定高度后，机体前部的主发动机启动，同时四旋翼电机功率逐渐减小，由主发动机推动无人机向前飞行，机翼产生的升力能维持无人机自主飞行后，4 个电机关机，仅依靠主发动机进行飞行。该无人机的降落过程与起飞过程相反，主发动机功率减小，由4个旋翼提供升力，直至无人机安全着陆。
图1.2 固定翼垂直起降无人机
固定翼垂直起降无人机多采用汽油发动机进行驱动，也可使用电机进行驱动，而旋翼则只采用电机进行驱动。
固定翼垂直起降无人机的优点如下。
① 垂直起降能力：固定翼垂直起降无人机可以像多旋翼无人机一样垂直起降，不需要长跑道或者滑行道，适用于狭小空间内的起降。
② 长航程和高速飞行：具备固定翼无人机的长航程和高速飞行特性，能够迅速覆盖大范围的区域，提高任务执行效率和响应速度。
③ 适应性强：固定翼垂直起降无人机具备多种飞行模式和能力，适应性强，可以应对不同任务需求和环境条件。
④ 灵活性高：结合了固定翼和多旋翼的优点，具有较高的灵活性和机动性，能够在复杂的环境中进行精确飞行。
固定翼垂直起降无人机的缺点如下。
① 复杂的设计和控制系统：固定翼垂直起降无人机既有垂直起降的多旋翼无人机功能，又支持固定翼无人机的方向舵操作，设计和控制系统相对更复杂，需要高级的飞控技术和系统集成能力，并且对于无人机驾驶员（俗称“飞手”）的技能要求也更高。
② 维护成本较高：由于其复杂的设计和控制系统，固定翼垂直起降无人机的维护成本较高，需要专业技术人员进行维护和保养。
固定翼垂直起降无人机的用途如下。
① 军事侦察：固定翼垂直起降无人机同时具备长航程和高速飞行的能力，可以进行高效侦察和监视目标。
② 城市监测和应急救援：在城市环境中，固定翼垂直起降无人机可以在狭小的空间内垂直起降，执行城市监测和应急救援等任务，提供高效的响应和支援。
③ 科学研究和资源勘查：固定翼垂直起降无人机可以在山区、丛林等复杂地形中进行科学研究和资源勘查，为地质勘探、环境监测等提供可靠数据支持。
多旋翼无人机是一种以多个旋翼为主要动力装置的无人机，其通常采用4个、6个或8个电机和螺旋桨，分别对应四旋翼、六旋翼或八旋翼无人机，通过不同旋翼的转速变化实现飞行、悬停和转向。
多旋翼无人机具有简单的结构和稳定的飞行特性，因此在航拍、娱乐和科研等领域得到广泛应用。图1.3所示为大疆创新的四旋翼无人机。
图1.3 四旋翼无人机
多旋翼无人机的优点如下。
① 垂直起降：多旋翼无人机可以垂直起降，像直升机，不需要跑道助跑，适用性很强，可在任意地形起飞，甚至可在手上直接起飞（危险动作，不建议新手模仿）。
② 悬停能力：多旋翼无人机结构特殊，使用旋翼产生向上的升力起降，因而具有优秀的悬停能力，能够在空中稳定悬停，有利于执行航拍等任务。
③ 机动性强：多旋翼无人机可通过改变不同电机的转速实现快速转向，能够在狭小的空间内进行灵活的飞行。
④ 相对较低的成本：相比其他类型的无人机，多旋翼无人机通常具有较低的制造、维护成本以及学习成本，适合大众使用。
多旋翼无人机的缺点如下。
① 航程短：由于多旋翼无人机的升降与运动全靠电机旋转产生动力，航程一般较短，飞行时间受限，不能长时间停留在空中。
② 受风影响大：由于结构特点，多旋翼无人机在大风天气下受影响较大，飞行稳定性可能会受到一定影响。
③ 载荷能力有限：多旋翼无人机的载荷能力相比固定翼无人机较低，不适合携带大型传感器或者在较高负载下长时间执行任务。
多旋翼无人机的主要用途如下。
① 航拍摄影：多旋翼无人机具备优秀的悬停能力以及较强的机动性，搭载高清摄像头或者专业航拍设备后，能够轻松实现航拍摄影，为电影、电视、广告等提供高质量的空中影像。
② 娱乐玩具：由于多旋翼无人机的制造、维护以及学习成本较低，小型的多旋翼无人机成为许多人的娱乐玩具。这些无人机可以在室内或者室外飞行，并且凭借较低的上手门槛，能让从未接触过无人机的人快速体验到无人机带来的乐趣。
③ 搜救和监测：多旋翼无人机具有良好的机动性、悬停能力以及能适应复杂场地的起降条件，因此被广泛应用于搜救任务和监测任务，例如在灾区搜索失踪者、监测森林火灾或进行测绘作业等。
前文已简要介绍了无人机的起源和目前3种主流无人机的工作原理、优缺点及其用途，帮助读者对无人机进行初步了解。为了方便读者上手学习，本书选取四旋翼无人机展开讲解，深入探讨无人机的结构组成、组装方法以及操作技巧，为无人机组装、测试飞行和执行任务提供尽可能简明的指导。
