玩转四旋翼无人机（攒机基础1）

机架

轴距（飞机大小）

机架定义的飞机的基本外观以及飞机的大小。主要参数为轴距。 F450（轴距450mm）是比较合适的，推荐，机架比较小，安装的时候比较简单，没有那么多螺丝，可以买DJI旗舰店的动力套餐，然后去买机架就行。我在第一次攒飞机的时候，希望能够把TK1的板子放在上边，这样我就买了一个大轴距（650mm）飞机，差不多M100差不多大。这样一来就麻烦了。一个电动起落架不是特别稳，固定的不牢固，而且螺丝太多了。

机架材料

机架材料常见的有塑料、玻纤维、碳纤维等。
玻纤材料是以玻璃纤维作为增强材料，树脂及填充剂作为基础物质的复合材料。碳纤材料是以碳纤维作为增强材料，树脂及填充剂作为基础物质的复合材料。碳纤维的强度优于玻纤维，且重量更轻，但价格比玻纤维贵不少。

飞控

pixhawk/APM

pixhawk vs apm?
http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=2019471
http://www.blogodrone.com/2015/07/pixhawk-versus-apm-comparison-review.html
pixhawk github
pxihawk dev documentation

PIXHAWK introduction

Pixhawk是一款低成本高性能自动驾驶仪。其继承了APM和PX4的优点，并在其基础上改进。这个项目源于ETH Zurich的计算机视觉与几何实验室、自主系统实验室和自动控制实验室的PIXHAWK项目。它具有来自ST公司先进的处理器和传感器技术，以及NuttX实时操作系统，能够实现惊人的性能，灵活性和可靠性控制任何自主飞行器。

Pixhawk系统的优点

包括：集成多线程，类似Unix / Linux类的编程环境；全新的自动驾驶功能，如任务和飞行
行为的Lua脚本；一个自定义PX4驱动层以确保在所有任务具有严格的时序。这些先进的功
能确保在你的飞行器上不存在任何限制。Pixhawk允许现有的APM和PX4能够无缝地过渡到
该系统，并降低进入门槛的新用户参加自主飞行的精彩世界。
对于初次使用pix的用户来说，建议您循环渐进的完成 pix的入门使用：
0、首先，了解PIX的接口作用和硬件连接顺序。
1、安装对应操作系统的驱动，以及安装地面站控制软件（mp）。
2、仅连接 USB 线学会固件的下载；
3、用USB连接飞控，逐步了解地面站控制软件的详细功能的基础上初始化飞控。
4、组装飞机。
5、数传、飞控、遥控、地面站软件的整体调整。
6、完成基本的初始化功能。
7、组装飞机，完成各类安全检查后试飞；
8、PID参数调整；
9、pix各类高阶应用。

传感器

Invensense MPU6000 三轴加速度计/陀螺仪
ST Micro L3GD20 16位陀螺仪
ST Micro LSM303D 14位加速度计/磁力计
MS5611 MEAS 气压计

pixhawk interface

• 5个UART串口，1个支持大功率，两个有硬件流量控制
• Spektrum DSM/DSM2/DSM­X 卫星输入
• Futaba SBUS输入（输出正在完善中）
• PPM sum 信号
• RSSI（PWM或者电压）输入
• I2C, SPI, 2个CAN, USB
• 3.3 与 6.6 ADC 输入

Pixhawk飞控系统的组成部分：

• 一颗性能强劲的32位处理器，还有一颗附加故障保护备用控制器，外加超大的储存空间。
• 主控制器STM32F427 32位微处理器： 168 MHz，252 MIPS，Cortex M4核心与浮点单元。
• 2M闪存储存程序和256K运行内存。
• 独立供电的32位STM32F103备用故障保护协处理器，在主处理器失效时可实现手动恢复。
• micro SD储存卡槽，用于数据日志和其他用途。
• 各种恰到好处的传感器。
• 三轴16位ST Micro L3GD20H陀螺仪，用于测量旋转速度。
• 三轴14位加速度计和磁力计，用于确认外部影响和罗盘指向。
• 可选择外部磁力计，在需要的时候可以自动切换。
• MEAS MS5611气压计，用来测量高度。
• 内置电压电流传感器，用于确认电池状况。
• 可外接UBLOX LEA GPS，用于确认飞机的绝对位置。
• 各种可扩展I/O接口和专用接口。
• 14个PWM舵机或电调输出。
• 5个UART（串口），一个支持大功率，2个有硬件流量控制。
• 两个CAN I/O接口（一个有内部3.3V收发，一个在扩充接口上）。
• 兼容Spektrum DSM / DSM2 / DSM­XÂ? 卫星接收机输入： 允许使用Specktrum遥控接收机。
• 兼容Futaba S.BUSÂ?输入和输出。
• PPM sum 信号输入。
• RSSI（PWM或电压）输入。
• I2C和SPI串口。
• 两个3.3V和一个6.6V电压模拟信号输入。
• 内置microUSB接口以及外置microUSB接口扩展。
• 包含它自己的板载微控制器和FMU栈。
• 具有冗余设计和扩展保护的综合供电系统。
• Pixhawk是由一个集成有电压电流传感器输出的协同系统供电。
• 良好的二极管控制器，提供自动故障切换和冗余供电输入。
• 可支持高压（最高10V）大电流（10A+）舵机。
• 所有的外接输出都有过流保护，所有的输入都有防静电保护。

pixhawk 其他特性。

• 提供额外的安全按钮可以实现安全的马达激活/关闭。
• LED状态指示器与驱动可以支持高亮度外接彩色LED指示灯表明飞行状态。
• 通过高能多种提示音的压电声音指示器可以得知实时飞行状态。
• 可支持带外壳与内置磁力计的高性能UBLOX GPS。

PM 电源模块

电源模块（PM）电流电压传感器，检测电池输出电流和电压并且为飞控供电。 工作参数 支持2S到6S工作电压，最高支持90A工作电流。 提供了一个稳定的5.37v和2.25A飞控供电。 检测电池的电压、电流，当电压低于飞控设置最低保护电压时触发飞控的低电压保护。 飞控固件更准确地弥补与其他对罗盘的干扰。

GPS

GPS模块提供位置信息用于定位和自主飞行。罗盘模块及指南针提供方向信息，与飞控罗盘组成双罗盘，减少外界对罗盘干扰。

GPS和罗盘模块安装要求

保持GPS天线朝上，且上方不能有遮挡物，且箭头指向飞行器正前方与飞控方向一致安装位置必须远离磁场干扰，GPS和罗盘模块安装在架安上面，附近的直流电源线和电池和模块都会产生强烈干扰，尽可能远离，电源和地线应尽可能地扭在一起。GPS和罗盘模块应附近不能含铁金属物体，（用尼龙或非磁性不锈钢五金、尼龙或铝支架安装模块）。

遥控/接收（RC radio）

多轴航模属于遥控设备,所以你需要一个遥控器。它应该至少有4通道,包括油门,横滚,俯仰,偏摆,也就是油加XYZ轴的移动。更多的通道更有利于操控,比如自稳飞行,打开/关闭灯光等等。我使用的DEV10，只用了其中4个通道，其他的都没有用。不用买的功能特别多。

日本手和美国手

因为航模活动较早开展的地区在日本与北美地区，因此这两个地区，对控制器中的两个摇杆四个通道的功能定义有不同。如日本手，左摇杆：上下升降舵，左右为方向舵；右摇杆：上下为油门舵，左右是副翼舵。美国手，左摇杆：上下为油门舵，左右方向舵右摇杆：上下为升降舵，左右为副翼舵。这个主要根据个人喜好，就像是开车，有左舵车，主要中国大 陆与北美地区，右舵车，主要英联邦国家和一些地区，如英国与中国香港地区。从理论安全角度来说，在球，左舵车要好些，但是更多的主要还是习惯的养成的问题。美国手与日本手的优劣势，通常是在一些超高难度动作的操作中，才有操作速度上的差异，通常大家，固定翼用日本手较多。

品牌

国产有天地飞、华科尔、福斯，进口有Futaba（日本） 、JR（日本）、ROBBE（德国）、Graupner（德国），早期国内电子水平基础较差，控的质量一般，现在国产控质量也相当稳定，性价比很高，遥控器主要追求实用稳定，不宜过分追求高级配置，国产以天地飞，天六天
九中文界面操作简单，价格实惠，配套的接收机也便宜，一套遥控与接收机可不超过1000元，选择FutabaT8FG 14SG , JR 9X XG7XG11 ,价格一套起步1500以上，且接收机昂贵。新手入航模可天地飞六起步，后续根据所玩飞机的需要再进行升级，通常固定翼飞机，直升机，大多数只需要六通道就可以控制，甚至早期四通道即可，即油门、 副翼、升降、方向。

PPM编码器

PPM编码的编码器允许多达8个PWM（脉冲宽度调制）信号转为PPM（脉冲位置调制）信号。PPM编码器将普通接收机的PWM信号转化成PIXHAWK飞控可识别的PPM信号。

PPM供电是由飞控RC端口供电。并且PPM可以给小功率接收机供电。

5通道飞行模式设置值范围
模式1: 0<= 1230
模式2: 1230 -­ 1360
模式3: 1361 ­- 1490
模式4: 1491 -­ 1620
模式5: 1621 -­ 1750
模式6: >= 1750

数传

3DR的数传有2种频率的一种433，一种是915的，前者容易受到对讲机干扰，后者容易受到手机基站干扰。我在飞机上装了一个2.4G的AP，有因为机载computer, 所以决定不用数传和图传，后来发现这样是不行的，至少数传是必须的。使用数传在飞机校准的时候很方便，不用拖着一根线，可以实现飞机空中调整飞机的PID参数，使得飞机震动减小。

无线网桥

参数

Dimensions	136 x 20 x 39 mm
Weight	0.1 kg
Operating Frequency	2412-2462 MHz
Range Indoor	Up to 200 m
Range Outdoor	Up to 500 m
Max. Power Consumption	8 W
Power Supply (PoE)	15V, 0.8A Power Adapter (Included)
Power Method	Passive Power over Ethernet (Pairs 4, 5+; 7, 8 Return)
Operating Temperature	-20 to 70° C
Operating Humidity	5 to 95% Condensing

详细参见数据手册picom2hp_DS.pdf

无线网桥的设置

机载的网桥作为station，固定IP为192.168.1.30，地面站的网桥作为AP接入点，固定IP为192.168.1.31。进入网桥的设置，打开浏览器，键入网址192.168.1.10，输入账号和密码为ubnt。一个设置为station，一个设置为AP、接入点。详细参见Bullet_Pico_Loco_NS_QSG.pdf

无线网桥的供电

供电在12v-24v都可以，因此3S-6S的电池都可以。地面站电池 使用SKYRC充电器，每次充一块，可同时插入电压报警器，该工具显示了当前电池电压，电压在 (4.18−41.9)×3=(12.54−12.57)V 。电池充满之后充电器指示灯由红色变为黄色。飞机端可以直接从电池取电，或者从分电板引出。

电池

锂电池全称为“锂聚合物电池”（Li­polymer，又称高分子锂电池），它比镉、氢电池更轻，可以为航模提供更长的续航时间，同时也具有较高的安全性，所以被广泛采用。锂聚合物电池的显著特点是放电倍率大，它可以通过放电来满足无人机在不同环境下的使用要求。一块锂聚合物电池的放电电流可以达到几百A，而手机的电池放电电流还不到1A，与之相比要小很多。
电池参数S的含义在说到航模电池时，我们一般会说＊S电池。其中的S即为几片串联的意思，单节锂电池标称电压是3.6v充电电压4.2v。3S电池满电就是12.6=4.2x3V，安全低电压就是10.8V, 4S电池满电就是16.8V，安全低电压就是14.4V。

容量

描述电池容量的单位有Ah（安•时）、mAh（毫安•时）和Wh（瓦•时——类似于家里常说的kWh,即多少度，1度=1000Wh）【注意：中间是点•，不是 / 】。换算关系：1Ah=1000mAh

C rating（放电倍率）

单位C，量纲为1/h，即“时”的倒数，此参数表示电池的放电能力、放电快慢。c rating 越大，放电能力越强，因此输出的最大电流越大。另外一方面就是该数值越大，保持电压的能力就越强。电池”C数”问题 ,这是代表电池的放电能力,这个C,在电池专业术语里叫”放电倍率”,即放电电流数值除以电池容量数值的倍数, 最大电流=电池容量*放电倍率C值。

The most important difference between batteries with a different C-rating, is the fact that the higher rated batteries suffer less from voltage drops under load.

电池的使用建议

1. 使用平衡充。
   锂聚合物电池由多片电芯串联而成，因此需要将每一片电池的电压充到同一水平，电路中如果有个别电池电压过低，其它电池就会为它充电，总电压或总电流就会低于我们设定的要求，造成好电池的损坏，所以在日常充电时必须用平衡充。目前市面上常用的平衡充有B6、A6、A9等。
2. 不过充过放电池。
   航模电池充满后电压单片4.15V～4.20V比较合适，用后的最低电压为单片 3.7V以上（切记不要过放），长期不用的保存电压最好为3.9V。航模电池的单片电芯电压3.7 V是额定电压，实际电压为2.75～4.2V，电池容量是4.2 V放电至2.75 V所获得的电量。电压低于2.75V电池会膨胀，内部的化学液体会结晶，可能会刺穿内部结构层造成短路，甚至会让锂电电压变为零。同样，当充电高于4.2V时会造成过度充电，电池内部化学反应过于激烈，使电池鼓气膨胀。电池的放电曲线表明，刚开始放电时，电压下降比较快，但放电到3.7～3.9V之间时，电压下降较慢。
   但一旦降至3.7V以后，电压下降速度就会加快，控制不好容易导致过放，轻则损伤电池，重则电压太低造成炸机。

切记不要将航模电池单片电芯电压用2.75V，此时电池已不能提供给飞机有效电力进行飞行。航模电池的最低电压一般就是3.4V～3.5V，为了安全飞行，小编建议将单片报警电压设为3.6V，如达到这个电压，或接近此电压，飞手就要马上执行返航或降落动作，尽可能避免因电池电压不足导致炸机。

Ground Station Control

• Mission Planner C#开发，用的人最多，windows下使用。
• QGroundControl， c++开发，跨平台使用。

天线的基本知识

天线的基本功能是辐射和接收无线电波。发射时,把高频电流转换为电磁波;接收时,把电磁波转为高频电流。(无线电波属于电磁波中频率相对较低的部分)。天线按工作频段可划分为长波、中波、波、超短波和微波等;按方向性可划分为全向天线和定向天线。无线电波的传播方式主要有贴地传播(波)、通过电离层反射传播(天波)以及沿直线传播(直接从发信天线传到收信点,有时有地面反射波)。

多旋翼上与天线相关的设备主要是遥控、图传和数传等,通过发射天线和接收电线进行数据传输。传播方式上它们主要采用沿直线传播,工作频段属于超短波范围。因为对需要实时控制的多旋翼来说,接接收的信号最可靠,尽管长波中波绕射能力极强,但易受空间环境制约而不稳定。

天线的安装和使用

无线电波对绝缘体有穿透,对导体产生反射和绕射。机架都是绝缘体,不会影响信号的传播,但在机姿态变化时,有些导体部件可能恰好处于接收和发射天线之间,当距离远、信号弱时可能造成信号中断,机载天线最佳的安装位置是在机身下部,这样受机载设备屏蔽的几率最小。

发射天线与接收天线要实现信号完美的传递,最佳状态是平行放置。追求远距离的无人机,接收和射天线一般采用垂直方式安装。追求垂直高度的无人机,接收和发射天线一般水平放置。但水平放置接天线,容易受到飞机姿态和方位影响,所以尽量采用双接收天线的接收机,
两支天线呈90度角水平安装以达到最佳的接收效果。

全向天线和的定向天线

全向天线在360度泛围内都有均匀的场强分布,辐射范围像一个苹果。它的垂直天线主要针对水平方的目标,水平天线主要针对垂直高度上和窄范围内的水平目标。多旋翼上最常见的全向天线就是棒子天线,蘑菇天线、三叶草四叶草天线都属于全向天线范畴,飞穿越的时候用到的比较多。

定向天线
主要介绍下抛物面天线和平板天线。抛物面天线的场强分布类似手电,一部分是直接射出的,另一部分是反射器反射形成的。抛物面天线的效率是最高的,定向性也是最强的,如果用在多旋翼上,一般要装在高精度的跟踪云台上才可以。

平板天线的特性和八木天线基本相同,好的平板天线虽然结构较复杂,但体积效率比高,安装简单是很多模友的FPV首选天线,也需要配合跟踪云台使用,它一般用在高频上,低频的话全向用的多,低绕过障碍物能力比高频要好。

关于全向天线和定向天线,有模友举了一个很形象的例子:全向天线就像个灯泡,平板天线是给灯上加了个有反射效果的灯罩,而抛物面天线是给灯泡上加了个回光罩,成了射灯。
平板天线和全向天线一起使用需要注意几个问题:一是全向天线不要放在平板天线的前面,防止压干扰。二是频率要错开,相差越大越好,同时还要注意倍频干扰。增益、方向图与波瓣

天线的方向图、增益和波瓣宽度是表征天线性能的主要参数指标。天线增益用来衡量天线朝一个特方向收发信号的能力,增益值以dbi为单位,增益与天线方向图、波瓣宽度有密切的关系。天线的增益和主瓣覆盖的宽度是反比关系,方向图的主瓣越窄,副瓣越小,增益越高。

天线增益是无源现象,跟功率无关,能量的总值不会超过发射的总功率。虽然增益天线不能改变能量,但它能改变信号强度。高增益天线和普通天线的区别在于高增益天线通过增加某个方向上的信号强使距离更远,但牺牲了波瓣宽度;普通天线距离近,但覆盖范围大。举个简单的例子,卫星天线的增益高,但几乎只对正前方有效。

如何给大疆的遥控器增程?其实原理很简单:第一种方法就是在天线上套上一个增益板,其实就是个抛物面,上面加上一层锡箔,以减小波瓣的方式换取更大的增程。第二种方法就是直接更换天线,将来的天线更换为高增益天线。

本文中没有关于电调和电机的介绍，关于这些内容会在下一篇中介绍。

refer

1. http://bbs.5imx.com/forum.php?mod=viewthread&tid=710421
2. http://www.exuav.com/forum.php?mod=viewthread&tid=736&extra=page%3D1%26filter%3Dtypeid%26typeid%3D41