人人可以上手 消费级无人机技术浅析

在上一期我们分析了消费级无人机趋势，从短期来说，消费级无人机面临许多问题，例如航程短、智能化偏低、航空管制等问题，不过从长远来看，消费级无人机大有用武之地，目前热火朝天的发展态势也证明消费级无人机大有可为。为了帮助用户了解消费级无人机的特点和结构，本期我们就一起和大家来谈谈无人机的发展、结构和技术方面的内容。

人人可以上手 消费级无人机技术浅析

随着技术的成熟和市场需求的出现，无人机和相关的技术成为近一段时间非常火爆的话题，尤其是消费者无人机在多个场合惊艳亮相后，很多玩家期待着自己的飞行梦能从一驾小小的无人机开始。不过，你对无人机的了解是否充分呢？消费级无人机的结构和特点是什么呢？又是如何控制的呢？

四旋翼结构—消费级无人机的天然选择

自从莱特兄弟在1903年成功造出全球第一家依靠自身动力载人飞行的飞机后，飞上蓝天就不再仅仅是梦想了。随后的1920年，第一架无人飞机就被作为靶机运用在军事训练中。从此之后，无人机就开始了它漫长的发展历程。尤其是在军队中，无人机更是大放异彩。不过，飞机和无人机一直以来都是巨贾大商或者航空公司、军队才能拥有的“高档货”，对普通百姓来说，多也就是坐坐飞机或拥有相关飞行职位，拥有一架飞机恐怕想都不会想一下。直到近几年，随着无线技术、控制技术以及机械部件的发展和成熟，消费级无人机才真正成为人们触手可及的、能够真正拥有的飞行设备。

从结构和设计角度来看，目前的无人机多采用了四旋翼结构。所谓四旋翼结构，就是指飞机上有个四个旋翼。看起来复杂，实际上这是一种简单和直观的稳定控制结构。说到这里很多读者可能迷惑了，表面上看，消费级无人机基本运作方式和印象中的直升机几乎一样，那为什么消费级无人机要用多旋翼结构呢？一般来说，常见的载人直升飞机，几乎都是由主螺旋桨和尾螺旋桨构成的。其中主螺旋桨提供升力和动力，尾螺旋桨用来控制方向，此外还有复杂的控制系统和传动系统—这两者极为重要，因为两个旋翼只有良好配合，才能做出很多复杂的动作和飞行姿态。对大飞机来说，人可以操作，机器空间和功率都可以做的相对很大，但在小小的无人机上加载如此多的系统（尤其是机械部件）就显得非常不切实际，因为本身消费级无人机的功率就不大，因此重量控制就显得非常重要，复杂的系统和控制设备会使得整个无人机载重能力和飞行能力降低，甚至难以起飞。

四旋翼无人机结构简单，配合飞控系统控制也可以轻松实现各种飞行姿态，是入门级消费级无人机的首选。

消费级无人机的飞行控制系统成品，可见复杂的信号出口。飞行控制器实际上就是个单片机，承担了无人机旋翼的控制功能，还支持多种类型的控制模式，高档的飞行控制器系统目前一般都会集成GPS、Wi-Fi等模块。

这个时候，四旋翼结构无人机的优势就可以体现出来了。在飞机发展的早期，四旋翼机型就很是被看好，主要原因就是其结构简单，容易设计，几乎不太需要太多控制传动装置。但有利也有弊，四旋翼机型之前未能大发展的核心问题就是同时协调四个旋翼状态来改变飞行姿态的方法实现起来很困难—尤其是计算机控制还不成熟年代，要知道四旋翼飞机的所有姿态都是通过调整四个旋翼的状态来实现的，比如俯仰运动、滚转、偏航、前后和侧向，都需要不同旋翼紧密配合才能完成，如果配合不好，四旋翼飞机可能失态甚至坠落。此外，四旋翼飞机还存在旋翼效率较低、载荷较低、续航时间不够长等问题，再加上四旋翼飞机是典型的不稳定系统和欠驱动系统，姿态控制也不好做，因此一直以来都没有大型飞机采用。

但随着2005年以来微处理器技术、微机电系统等设备的发展以及飞机控制技术的进步，四旋翼飞机昔日的弱点们纷纷变得不那么困难，它的优势就逐渐凸显了出来。对消费级无人机来说，航程和飞行高度、载重量都不会太高，但是结构的轻量化和简单化、悬停能力、稳定性、垂直起降等特点反而更为令人关注，这些恰恰是四旋翼飞机的优势，因此，目前的消费级无人机都主要以四旋翼结构为主。

目前的消费级无人机大部分都是四旋翼（其实还有更多的旋翼机型，比如八旋翼），宏观结构都是十字形，或者说四旋翼的发动机一般都布置在十字位置的四个顶点上。其余的部件比如电池、飞行控制系统、GPS、云台、遥控系统、摄像系统等统统集成在悬臂架或者中央机身上，基本结构都不算太复杂。其中飞行控制系统比较重要，因为它直接关系到机器的飞行和安全。在信号方面，为了增大无人机和控制器之间的有效无线传输距离，部分无人机还配备了中继器用于放大手持操控器的信号。对拍摄有需求的玩家，还可以选择选择云台来连接无人机和摄像机，除了传统的云台外，现在也有专门为航拍设计的消除抖动云台。此外，无人机上还布置了大量的传感器，比如三轴陀螺仪用于探测飞机姿态、三轴加速器用于探测当前加速度、GPS传感器用于定位当前位置、高度传感器用于探测高度、气压传感器等用于探测目前的大气环境等，都可以根据用户需求来一一选择。

有关消费级无人机的问题

无人机的云台用于在飞行拍摄中平稳摄像设备，防抖动，它的功能和传统摄像设备上的云台基本类似。

在大概了解了无人机的相关知识后，那么还有一些问题需要解决，比如下面一些问题：

消费级无人机的性能如何？

目前主流的四旋翼消费级无人机，一般高飞行速度不会超过20m/s，多维持在高15m/s左右（但不建议使用如此高速飞行），实际使用中还会更低一些，上升下降速度分别为6m/s和2m/s。滞空时间大概在30分钟以内，飞行距离理论上来说远可以飞行27公里，但实际上考虑控制距离（主要原因）、返航等因素，一般不会超过800米。此外，消费级无人机一般载重量都不大，3kg以内比较常见，再大一些的就非常少了。

消费级无人机是如何操控的？会不会飞丢？

消费级无人机的控制主要分为两个部分，一个部分是用户使用手中的遥控器（或者加上中继器）对无人机发出指令，指挥无人机飞东飞西，飞上飞下；另一个部分是无人机内置了一些控制单元，保证无人机在飞行过程中的姿态稳定，实现诸如空中悬停、返回原点等功能并且确保飞行安全。况且目前绝大部分消费级无人机都内置了定位和导航装置，一旦发现飞出了遥控器的控制圈，在有电的情况下，都会自动飞回起始点，因此一般来说都不会丢失。

不过这并不意味着消费级无人机本身安全性就很好了。由于目前的消费级无人机使用的是2.4GHz信号传递信息，开阔室外的信号传输范围只有800米左右，因此在一些地形复杂或者楼层遮挡的地方，可能会出现突然丢失信号、连接失败导致无人机无法返回等问题（无人机本身信号接收设备和定位设备可靠性也值得考量，毕竟只是普通飞行类产品）。尤其是在野外或者海边、山中、城市中，这类消费级无人机失踪或者损坏的问题还是屡有发生。

我买一个消费级无人机，就可以直接开始飞了吗？

不。如果你买了一个消费级无人机，无论它的价格多么便宜，请一定要按耐住激动的心情，不要将其拿出直接尝试，而应该仔细查看相关说明书，并且安装相关学习控制软件，在电脑上保证至少数个小时乃至数天的控制模拟学习。

这并不是玩笑或者担心你摔坏了飞机。实际上， 消费级无人机再怎么轻便、再怎么人畜无害，它还是机器，尤其是它往往具有多个高速旋转的、锋利的扇叶。菜鸟玩家在操作不慎的情况下，轻则撞毁物件、重则可能造成人身伤害。

一般来说，菜鸟在经过电脑实践培训，大概体验了三维空间内的运动感受后，就可以开始使用真机了。先找开阔、无人的地区，尝试使用无人机多次起飞降落，飞远、飞近，并尝试在各种条件下控制无人机，比如三四级风、草木较多的地区等。等到大概有半年至一年的飞行经验后，才开始尝试进行航拍等更高级别的无人机操作。此时用户可以添置更高端的无人机并购买控制云台等设备，开启自己的无人机航拍之旅了。

目前的消费级无人机一般使用夹子使得遥控器和手机“合体”，手机充当显示设备。

航拍应该如何上手？可以直接看到拍摄的图像吗？

目前消费级无人机大的用途就是航拍。航拍有多种模式和应用方法，除了本身无人机携带相机拍摄照片、落地后读取照片外，现在被称为FPV第一人称视角视频是受关注的。

所谓FPV，全称是“First Person View”，也就是使用无人机模拟操作者的眼睛，直接将数据传输回操作者附近的屏幕上，目前的无人机多使用手机作为视频接收设备。拥有FPV能力的无人机，一般会安装Wi-Fi信号发射器，在无人机开启摄像后，将相机拍摄的内容编码、压缩，通过Wi-Fi发射器发设置接收端的手机，手机通过内置的专用FPV APP接收信号并播放出来，无论是录制还是直接观看视频都可。目前这类产品的大Wi-Fi传输距离在800米以内，基本上和遥控器的控制距离相当。

在航拍方面，相机的稳定性是非常重要的，因此相机数据处理的防抖算法和云台的防抖设计就很重要了。目前已经出现了为无人机航拍设计的专用三轴防抖云台，能够大限度的降低抖动率，拍摄出清晰稳定的画面。