无人机飞走了不要哭你还有遥控器在手中
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无人机飞走了不要哭你还有遥控器在手中

机核网 2016-03-09 10:30

导语:一五年七月毕业之后我便就职于一家科技公司的无人机事业部,至今已半年有余。不知是缘分还是注定,这份同样要经常跟“手柄”打交道的工作让我收获了这一生中除了游戏以外的另一个爱好。今天随便整理些东西,一为梳理知识,二做分享推荐。既然咱都放不下手柄,那就带着它一起出门吧。

编注:本文有部分内容援引自《无人机销售前景怎么样?》(作者:杨硕)

无人机飞走了不要哭你还有遥控器在手中

一狠心剁手买的遥控器,对于初学者来说确实有点奢侈

首先,无人机就是不载人的飞行器,而说到飞行器,通常我们把它分为三类:

1.固定翼(fixedwing)。平时坐的空客,还有歼系列等都是固定翼飞机。顾名思义就是机翼是固定的,靠流过机翼的风提供升力。固定翼飞行器的优点是续航时间长、飞行效率高、载荷大,缺点是起飞须助跑,降落须滑行。具体原理我想各位都应该懂。动力系统包括桨和助推发动机。固定翼根据机翼尺寸或是类型的不同还有很多小的分类,双翼,单翼,盒式翼等等,在此不细作说明。

2.直升机(helicopter)。仅靠一个或者两个主旋翼提供升力。若只有一个主旋翼,还必须要有一个小的尾翼抵消主旋翼产生的自旋力。为了实现前后左右飞行,主旋翼有极其复杂的机械结构,通过控制旋翼桨面的角度变化来调整升力的方向。动力系统包括发动机、桨调节系统、桨。直升机的优点是可以垂直起降,续航时间中庸,载荷中庸。缺点是复杂的机械结构导致了极高的维护费用。

3.多旋翼(multi-rotor)。四个或者更多个旋翼的直升机,能垂直起降,但是通常只有直升机叫直升机,多旋翼就叫多旋翼,而不是多旋翼直升机。四旋翼特别叫做quadrotor。多旋翼机械结构简单,动力系统只需要电机与桨直连。不懂机械的人也能看出多旋翼有多简单。多旋翼的优点是机械简单,能垂直起降,缺点是续航时间最短,载荷也最小。

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直升机旋翼轴结构图,复杂得很。

上文谈到了三种飞行器外形和续航时间的不同点,这里要再说一些理论的不同之处。

首先,固定翼是自稳定系统,简单来说就是飞机上了天,助推发动机稳定工作之后,就不需要怎么控制了。固定翼能自己抵抗气流的干扰并保持稳定。此外,就飞行器姿态控制方面来说,固定翼是完整驱动系统,意思是它在除失速状态下的任何状态下都可以从任何姿态下调整到任何姿态,并且保持住这个姿态(可能有点难懂,多读几遍就成233)。

其次,直升机是不稳定系统,上天之后如果不进行控制,一阵风吹来就翻了。不过可以放心的是,姿态控制方面直升机也是完整驱动系统,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。而且直升机没有失速的问题,什么时候都能调整姿态,可以在天上如散步一般自由运动。所以直升机虽然不稳定、很难控制好,但是姿态翻了的时候完全可以控制回到正常的姿态。航模圈内有很多花式飞行器大神,直升机翻跟斗翻的那叫一个溜,感兴趣的朋友不妨找点视频看看。

最后,您可能猜到了,多旋翼即不是稳定系统也不是完整驱动系统(可以称之为欠驱动系统)。它的桨只能产生相对机身向上的升力。所以它不稳定、很难控制好,飞行器翻过来之后基本没办法控制回来,就会发生坠机,俗称炸机。

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呃……应该是炸“机”吧……

在此说些题外话,普及一下“炸机”。套用国内知名炸机论坛SB-DJI的科普此条,一般来说,由于操作不当或机器故障等因素导致飞行航模不正常坠地,但坠地后航模无损伤叫做摔机。摔机后不影响航模内部结构仍可飞行。由于操作不当或机器故障等因素导致飞行航模不正常坠地,但坠地后航模损伤较严重,影响了内部结构,或坠地后航模完全被摔碎分解,导致航模完全无法飞行叫做炸机。炸机有时也被航模爱好者写作炸鸡。简单来说,炸机是摔机的最高境界,而FPV或航拍的最高境界为提控回家(飞机飞丢,只剩下遥控器)。

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图片来自SB—DJI,不多说,圈里人都懂233

因为上述飞行器有系统稳定不稳定、驱动完整不完整的区别,所以早些时候固定翼和直升机让人控制难度相对不高;多旋翼让人来控制难度相对高,必须要用自动控制器来控制飞行器的姿态。说到自动控制器,固定翼的自动控制器比较好做,直升机和多旋翼的自动控制器比较难做。

能够获取自身的姿态的惯性导航系统在20世纪90年代之前重量动辄十几公斤,把这么重的东西放到一个多旋翼飞行器上,在当时基本上是不可能发生的事情,因为飞行器很难得到足够的载荷。而且当时固定翼和直升机已经实际应用了,所以没有人愿意多花时间去研究多旋翼飞行器这个棘手的问题。很长一段时间里,只有美国一些研发性的项目做出了多旋翼飞行器的样机。

20世纪90年代之后,伴随着科技的进步,MEMS惯性导航系统问世,仅仅几克重的元件使得多旋翼飞行器自动控制器的研发成为了可能。人们用了几年的时间研究了去噪,算法,高速单片机,并进一步的理解多旋翼飞行器的线性结构,进行建模,设计算法,并实现算法。

直到2005年左右,真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出来。之前一直被各种技术瓶颈限制住的多旋翼飞行器系统突然出现在人们视野中,大家惊奇地发现居然有这样一种小巧、稳定、可垂直起降、机械结构简单的飞行器存在。一时间研究者趋之若鹜,纷纷开始多旋翼飞行器的研发和使用。

四旋翼飞行器是多旋翼飞行器中最简单最流行的一种。如上所述,最初的一段时间主要是学术研究人员研究四旋翼。2010年,法国Parrot公司发布了世界上首款流行的四旋翼飞行器AR.Drone。作为一个高科技玩具,它的性能非常优秀:轻便、灵活、安全、控制简单,还能通过传感器悬停,用WIFI传送相机图像到手机上。

AR.Drone的流行让四旋翼飞行器开始广泛进入人类社会。在玩具这个尺寸上,多旋翼飞行器的优势就显示出来了,同尺寸的固定翼基本飞不起来,而同尺寸的直升机因为机械结构复杂,根本没法低成本地制作出稳定的产品。

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AR.Drone

2012年2月,宾夕法尼亚大学的VijayKumar教授在TED上做出了四旋翼飞行器发展历史上里程碑式的演讲。这一场充满数学公式的演讲居然大受欢迎,迄今已经有三百多万次观看,是TED成百上千个演讲中浏览量最高的演讲之一。本文多出引用均出自本篇演讲,在此也借此文向这位教授致敬。

说是无人机,但无人机种类重多,固定翼,直升机,多旋翼等等可谓聆郎满目,今天也只就多旋翼的发展史跟大家聊了聊,如果大家喜欢的话,我还会发一些原理,操作甚至进阶的DIY相关的文章。期待着大家的回复,那么各位,下次见。

最后再次申明,本文所引用文献大多来自于网络且无源可循,如有朋友得知出处请联系我,我会第一时间进行标注或是撤销,在此先行谢过。

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