無人機詳解與剖析

Daniel Frenzel
歐洲分子生物學實驗室博士後。他喜愛組裝電子設備和撰寫計算機固件（存儲器）程序。

Alex Keyes
福特漢姆大學玫瑰山校區計算機視覺實驗室研究員，
並作為一名機器人軟件工程師在Adept Technology公司實習。

Tihomir Nedev
企業家、工程師。無人機軟件公司Flyver聯合創始人。

Pepe Valverde
對技術充滿激情的電信工程師。

第 1章　無人機簡介 1
1．1　什麼是飛行無人機　1
1．2　無人機軟件生態環境　3
1．2．1　專利權軟件&開源軟件　3
1．2．2　開源項目ArduPilot　4
1．2．3　QGroundControl　4
1．2．4　MAVLink　5
1．3　什麼是無人機飛行模式　6
1．3．1　手動模式　6
1．3．2　特技模式　7
1．3．3　定高模式　7
1．3．4　定位模式和懸停模式　7
1．3．5　返航模式和自動著陸模式　8

第　2章 無人機的硬件組成　9
2．1　無人機部件組成　10
2．2　機架　11
2．2．1　木質機架　11
2．2．2　玻璃纖維增強機架　11
2．2．3　碳基材料機架　12
2．2．4　鋁製機架　12
2．2．5　聚苯乙烯機架　13
2．3　動力　13
2．3．1　了解鋰聚合物電池　13
2．3．2　電機　16
2．3．3　電子調速器　18
2．3．4　螺旋槳　19
2．3．5　發射機　19
2．3．6　降噪處理　20
2．3．7　GPS　21
2．3．8　羅盤　22

第3章　多旋翼無人機基本部件　24
3．1　無刷電機　24
3．1．1　螺旋槳　26
3．1．2　螺距　27
3．1．3　動力分配　28
3．1．4　控制面板　31
3．2　傳感器和傳感器失真　33
3．2．1　加速度計　34
3．2．2　陀螺儀　36
3．2．3　羅盤（偏航式）　37
3．2．4　氣壓計　38
3．2．5　聲吶/激光雷達　38
3．2．6　GPS　39
3．3　為什麼必須使用軟件濾波器，如何用於傳感器的融合　39
3．4　濾波器用於姿態估計　40
3．4．1　低通濾波器應用於加速度計　40
3．4．2　姿態估計　43
3．5　無人機姿態控制　48
3．5．1　PID的實施　48
3．5．2　PID調節器用於姿態控制　51
3．6　小型無人機固件程序的簡單實例　58
3．7　總結　66

第4章　固定翼機　67
4．1　固定翼機VS旋翼機　67
4．1．1　固定翼機　68
4．1．2　旋翼機　70
4．2　飛行器部件　73
4．2．1　伺服電機　74
4．2．2　空速計　78
4．3　飛行器的運動　80
4．4　PID調節器　81
時間常數：橫滾時間常數　85
4．5　飛行模式　88
4．5．1　手動模式　88
4．5．2　穩定模式　89
4．5．3　電傳操縱模式　89
4．5．4　高度控制模式　89
4．5．5　油門控制模式　90
4．5．6　航向鎖定模式　90
4．5．7　自動模式　90
4．6　飛行控制板　91
4．6．1　獨眼龍系列Tornado　92
4．6．2　Vector系列　92
4．6．3　Ikarus OSD系列　92
4．6．4　基於ArduPilot代碼的產品　93
4．7　ArduPlane固件程序　94
4．8　總結　96

第5章　安全與監管　97
5．1　操作安全　97
如何實現安全　98
5．2　當前監管環境　101
5．2．1　娛樂用途　102
5．2．2　商業用途　104
5．2．3　公共用途　105
5．3　臨時飛行限制　105
5．4　總結　105

第6章　無人機的應用　106
6．1　娛樂與愛好　106
6．1．1　航拍　106
6．1．2　視頻穩定　107
6．1．3　第 一人稱視角拍攝　109
6．1．4　競速　110
6．2　工業與專業應用　110
6．2．1　電影製作　111
6．2．2　檢查　111
6．2．3　油氣監測　112
6．2．4　光伏產業　112
6．2．5　建築業　113
6．2．6　採礦業　113
6．2．7　飛機檢查　113
6．2．8　監控　114
6．2．9　考古　114
6．2．10　快遞　114
6．2．11　測繪　115
6．2．12　農業與耕作　115
6．2．13　搜救　116
6．2．14　野生動物保護　116
6．2．15　防火與防洪　117
6．3　總結　117

第7章　核心軟件工具　118
7．1　APM Planner　120
7．2　MAVProxy　121
7．3　軟件開發套件　121
7．4　Parrot　123
7．5　ARDroneSDK3　125
7．6　DJI大疆　126
7．7　手機SDK　126
7．8　總結　127

第8章　核心硬件　128
8．1　Pixhawk飛控系統　128
8．2　AUAV-X2飛控系統　129
8．3　Pixracer飛控系統　130
8．4　大疆的Naza系統　131
8．5　驍龍（Snapdragon）飛控　132
8．6　Navio飛控　133
8．7　Erle-Brain和PXFmini　134
8．7．1　Erle-Brain　134
8．7．2　Erle-Brain 2　135
8．7．3　PXFmini　136
8．8　智能手機飛控系統　136
8．9　慣性測量單元　137
8．10　氣壓計　138
8．11　光流傳感器　138
8．12　空速計　139
8．13　接近傳感器　139
8．13．1　激光雷達式接近傳感器　139
8．13．2　衛星導航接收機　140
8．13．3　熱成像傳感器　141
8．13．4　多譜段成像傳感器　141
8．14　激光雷達　142
8．15　集成電路總線　142
8．16　串行外設接口　142
8．17　通用異步收發器　143
8．18　未來：控制器局域網絡　143
8．19　遠程控制　145
8．19．1　遙測模式　145
8．19．2　雲端模式　145
8．19．3　副駕駛模式　146
8．20　總結　146