科普 | 无人机怎么飞起来的，了解一下

近年来，由于科学技术的不断发展，无人机也逐步在消费领域普及开，昔日高端科技产品也“飞入寻常百姓家”。无人机的普及一方面在物流、植保、消防、测绘、航拍等多个领域都极大地方便了人们的生产生活，另一方面也给人们提供了了解世界的新方式、新角度。

无人机系统由两部分组成：无人机本身和控制系统。

视频讲解先了解下↓

简单而言，就是四个方向的力相互作用。

1.垂直运动

无人机利用旋翼实现前进和停止。力的相对性意味着旋翼推动空气时，空气也会反向推动旋翼。这是无人机能够上上下下的基本原理。进而，旋翼旋转地越快，升力就越大，反之亦然。 

现在的无人机能够做三件事情：悬停、爬升和降低。当悬停时，无人机四个旋翼产生的推力等于向下的重力。这非常容易理解。那么如何实现爬升？增加四个旋翼的推力从而产生一个大于重力的向上的力。在该动作完成之后，无人机的推力可以相对减少，但为了使其继续向上飞行，那么仍必须保证向上的力要大于向下的力。使无人机降低的要求则相反：需要减少旋翼的推力速度，此时合力向下。

2.旋转

如何使一个正在朝北飞的无人机掉头向南飞？此时旋翼的运动原理又是什么？

如下图所示，红色的旋翼呈逆时针旋转，绿色的旋翼呈顺时针旋转。当这两组旋翼向相反方向旋转时，无人机的总动力为零。角动力值与线性动力值很像，可以用角速度乘惯性矩计算得出。可以说，角动力取决于旋翼旋转的速度。

假设红色旋翼有一个值为正的角动量，而绿色旋翼有一个值为负的角动量，每个旋翼的值分为+2、+2、-2、-2，那么此时所有的力加起来为零。无人机即能实现悬停。

而要使无人机向右转，则需要降低旋翼1的角速度。但是，虽然来自旋翼1的推力缺失能使无人机改变运动方向，但与此同时向上的力不等于向下的重力，所以无人机会下降。那么，如何使无人机在改变方向时保持高度不变？

降低旋翼1和3旋转速度的同时，增加旋翼2和4的旋转速度。此时旋翼的角动力仍然不为零，所以无人机能够旋转。而总力仍然等于重力，则无人机能够保持在同一高度。由于向同一方向旋转的旋翼角为对角，所以无人机仍然可以保持平衡。

3.向前飞行和侧向飞行

无人机向前和向后的运动原理有什么区别？其实没有，因为无人机是对称的。这同样适用于侧向运动。一架四轮无人机就像一辆每一面都可作为正面的车，所以了如何向前也就解释了如何向后或向两侧移动的问题。

那么具体该如何操作？

增加旋翼3和4的旋转速率，降低旋翼1和2的速率。此时，总推力与重量相等，因此无人机能够保持高度不变。此外，由于一个位于后方的旋翼是逆时针旋转，而另一个为顺时针旋转，所以增加的旋转力仍然会为零，前方的旋翼情况相同。所以整体上无人机的方向不会改变。然而，无人机后部旋翼所增加的力会使其向前倾斜，因此应该稍微增加所有旋翼的推力从而产生一个净推力，其中的一个分力可以用来平衡重量和向前运动的力。

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了解完无人机本身怎么飞起来的，我们再来回顾一下无人机的原理，官方定义是所有利用无线电遥控设备和程序控制装置的不载人飞机都可以叫做无人机。简而言之，无人机有三个主要特征：有大脑、可作业、可回收。

这三个主要特征就代表作为无人机，不可缺失的还有控制系统，也就是无人机系统框架进行操控。无人机系统架构基本由四大块构成：飞控系统、导航系统、动力系统和数据链传输系统。另外，还可以通过加装特定的传感器、相机以及机械臂等外围设备，以实现特定功能和特殊场景应用。

1.飞控系统

飞控系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心子系统，飞控系统对于无人机相当于CPU对于计算机的作用，也是整个无人机开发最难，最为关键的系统。一般来说，飞控系统硬件主要包括主控制模块、信号调理及接口模块、数据采集模块、舵机驱动模块以及各类传感器。

其中，机身大量装配的各种传感器是飞控系统的基础，是保证飞机控制精度的关键，在不同飞行环境下、不同用途的无人机对传感器的配置要求也不同。例如，用于航拍的无人机对悬停能力及稳定性要求很高，因而需要精度较高的测距传感器和图像传感器，同时还需要高分辨率的摄像头。

在无人机整个工作过程中，主要实现包括无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理和应急控制等功能。飞控系统实时采集各传感器测量的飞行状态数据、接收无线电测控终端传输的由地面测控站上行信道送来的控制命令及数据，经计算处理，输出控制指令给执行机构，实现对无人机中各种飞行模态的控制和对任务设备的管理与控制；同时将无人机的状态数据及发动机、机载电源系统、任务设备的工作状态参数实时传送给机载无线电数据终端，经无线电下行信道发送回地面测控站。

2.导航系统

无人机导航系统是按照要求的精度，沿着预定的航线在指定的时间内正确地引导无人机至目的地。导航系统向无人机提供参考坐标系的位置、速度、飞行姿态，引导无人机按照指定航线飞行。

无人机载导航系统主要分非自主导航和自主导航，但分别有易受干扰和误差累积大的缺点；同时，还可以分为单一导航和组合导航，单一导航技术现在主要有惯性导航、卫星导航（GPS）、多普勒导航、地形辅助导航和地磁导航等类别。其中，惯性导航和多普勒导航属于比较典型的自主导航。

3.动力系统

无人机的动力系统可以分为电动和油动，即电动机和内燃机两类。其中，在消费和民用市场中，电动机的应用仍是主流。电动机的动力系统包括发动机、电子调速器（电调）、旋翼/螺旋桨和电池。以发动机进行分类来讲的话，主要可以分为活塞式发动机、涡轮式发动机和电动机。

就目前来看，由于消费和民用级的无人机的成本的限制，以及低速低空的小型无人机已经可以满足绝大多数场景应用需求，该类无人机的动力系统仍以活塞式发动机和电动机为主流；其中电池驱动的电动机虽然在续航问题上存在一定劣势（续航低于1小时），但是在消费级市场，尤其是多旋翼无人机上的应用仍然十分广泛。

另外，在军用和部分对高空长续航有需求的民用方面，仍是以涡轮式发动机为主要动力系统，例如对于一次性使用的靶机、自杀式无人机或导弹，此类无人机要求推重比高，但寿命可以短至1-2小时，一般使用涡喷式发动机；而低空无人直升机一般使用涡轴发动机，高空长航时的大型无人机一般使用涡扇发动机。

不同用途的无人机虽然对动力系统要求不同，但都希望发动机体积小、成本低、工作可靠。而随着涡轮发动机推重比和寿命的不断提高、油耗降低，涡轮式发动机很有可能取代活塞式发动机成为无人机的主力动力机型；另外，随着新能源电动机的不断发展，也有望为小型无人机提供更持久的动力。

4.数据链传输系统

数据链传输系统是无人机的重要技术组成，其与导航系统联系最为直接，也最为紧密，主要负责完成对无人机遥控、遥测、跟踪定位和传感器传输。数据链传输系统按传输方向可以分为上行链路和下行链路，上行数据链实现对无人机遥控，下行数据链执行遥测、数据传输等功能。由此可见，数据链传输系统性能的好坏直接影响着无人机性能的优劣。

现代数据链技术的发展推动者无人机数据链向着高速、宽带、保密、抗干扰的方向发展，当下大家比较认可的用于衡量无人机数据链优劣的主要参数有5个：1）调频扩频功能；2）存储转发功能；3）数据加密功能；4）高速率；5）低功耗、低误码率及高接收灵敏度。

目前来看，普通无人机大多采用定制视距数据链，而中高空、长航时无人机则都会采用视距和超视距卫星通信数据链。

有没有更博学一点呢?

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