书摘 | FPV穿越机原理入门
一、前言
摘自桑圆圆 封学英 刁彬斌写的《小创客轻松玩转FPV无人机》。这是微信阅读中唯一一本直接介绍FPV原理、对频和调试的书籍。年份有点老，但是可以帮助读者形成对穿越机的基本理解。
今日音乐分享：The Musical Offering, BWV 1079
为什么FPV分正反桨？
如何解释偏航时四个电机的动力输出？
如何解释俯仰与横滚时电机动力的变化？
碳刷电机和无刷电机对飞行性能的影响？
螺旋桨有哪些参数？如何影响飞行手感？
什么是PID？
为什么有刷电机往往需要单独电调？
如何理解1s1p和1s2p电池的区别？
输出电压与剩余电量的曲线说明了什么？
图传与遥控可采用的三种信号方案？
使用beta flight调参，如何调节RC rate。
二、书摘
章节：原理
1.FPV四轴飞行器，即在四轴飞行器的基础上，增加FPV摄像头，配合图传和FPV眼镜实现第一人称视角操控飞行器。
2.传统直升机会用一个主桨来产生推力，用一个尾桨来抵消主桨产生的扭矩（即锁尾），而四旋翼飞行器对角螺旋桨采用正反桨设计，从而不需要额外的机构进行锁尾。
fpv和固定翼最大的区别在于：fpv的机身自己没有稳定性；正反螺旋桨的设计以抵消扭矩。
稳态运动3.1号和2号桨逆时针转动，而3号和4号桨顺时针转动，当四个螺旋桨产生的推力相同时，两组正反桨对机身所施加的反扭矩两两抵消，使得绕垂直方向旋转的反扭矩平衡，从而确保了航向的稳定。
4.前后运动和侧向运动：为了在水平上获得一个推力，增加电机2的转速，尾部的推力增加；降低电机1的转速，头部的推力减小。整个机身会向前倾，合成了一个水平向前的推力，机身便能够向前运动。同时保持电机3和电机4的转速，反扭矩平衡，才能够保证机身平稳地向前
偏航5.偏航运动就是在水平方向上的左右转动，即绕着Z轴的旋转。旋翼在转动的过程中，由于空气阻力的作用，会形成与转动方向相反的反扭矩。偏航运动就是利用反扭矩实现的。
当飞行器悬停时，4个电机的转速相同，两组正反扭矩相互抵消，维持平衡。当4个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器水平转动，从而实现偏航运动。
为什么四个电机转速不同的时候飞机没有掉下去呢？因为偏航运动下，升力没有发生变化，1号和2号桨顺时针，3号和4号桨逆时针，只需在提升1号桨和2号桨的同时降低3号桨和4号桨的转速，就能利用扭矩实现顺时针或逆时针的转动。
提升电机1和电机3的转速，同时降低电机2和电机4的转速，电机1和3产生的顺时针反扭矩大于电机2和电机4产生的逆时针反扭矩，而且总的向上推力没有发生变化，于是机身在水平面上顺时针转动，又不会出现垂直位移。
章节：控制流程
6.遥控信号接收模块接收到遥控器发出的控制信号，将其转化为PWM或者PPM等信号传递给飞行控制器。飞控根据遥控信号以及传感器的值（当前飞行器的状态，如加速度、方位等信息）来通过PWM控制四个电机以达到预期的动作。
7.飞控中，传感器是必需的，如陀螺仪和加速度计。微控制器计算这两个传感器所传来的数据，获得当前飞行器的姿态，然后通过PID等算法调整电机的转速，以保持飞行器的稳定。
章节：电池、电机、电调、螺旋桨
动力系统之电机9.FPV无人机动力系统由电机、电调组成
10.有刷电机我们也称之为直流电机或者碳刷电机，是历史悠久的电机类型。线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是通过随电机转动的换相器和电刷来完成的。有刷电机造价相对较低、扭矩高、结构简单、易维护。
和chatgpt讨论了一下有刷电机：有刷电机是一种常用的电动机，它采用两个滑动电刷接触电源来发挥作用。当通电的时候，两个滑动电刷就会分别接触到电源的正负极，形成一个电流环，电流就会通过有刷电机中的磁铁，产生一个磁场。由于磁场的施加，磁铁就会产生力，从而使有刷电机转动。
换向器是控制有刷电机转动方向的装置，它可以控制电流流向从而控制有刷电机转动方向。换向器采用一个可变电容，当变压器的电流流向发生变化时，可变电容就会改变它的容量，从而改变电流流向，最终控制电机的转动方向。
电刷的工作原理是，它将电源的正负极接触到有刷电机的铁芯上，形成一个电流环，从而使电机能够转动。当有刷电机转动时，滑动电刷也在不断的移动，从而保持电流的稳定，使有刷电机能够持续工作。
11.有刷电机的问题是：机械换向产生的火花引起换向器和电刷摩擦、电磁干扰、噪声大、寿命短；结构复杂、可靠性差、故障多，需要经常维护；由于换向器存在，限制了转子惯量的进一步下降，影响了动态性能，所以在模型界主要应用于速度较慢和对振动不敏感的车模、船模等上面。
12.无刷直流电机不使用机械的电刷装置，采用方波自控式永磁同步电机，以霍尔传感器取代碳刷换向器，以钕铁硼作为转子的永磁材料，性能上相较一般的传统直流电机有很大优势，具有高效率、低能耗、低噪声、超长寿命、高可靠性、可伺服控制、无级变频调速等优点。
13.单个的无刷电机不是一套完整的动力系统，必须通过无刷控制器也就是无刷电调的控制才能实现连续不断的运转。这也是微型无人机普遍采用有刷空心杯电机的另一原因，采用有刷电机的无人机的飞控，都集成有刷电调，不需要独立安装电调装置，因此，进一步简化了机身结构，达到减重的目的。
这里作者表示的意思是：如果要用无刷电机，需要把直流电转三相交流电，所以需要额外的电调。有刷电机用直流电，往往飞控都集成了有刷电调，所以可以节约结构复杂度。
按照作者后边的原话：有刷电调输入和输出都是直流，结构类似变阻器，通过控制输出电流大小控制电机转速，相比无刷电调其结构简单很多，因此多会集成在无人机有刷飞控电路中。
14.普通的碳刷电机旋转的是绕组，而无刷电机不论是外转子结构还是内转子结构，旋转的都是磁铁。
15.任何一个电机都是由定子和转子共同构成的。
16.无刷电机KV值定义为“转速/伏”，意思为输入电压增加1伏，无刷电机空转转速增加的值。例如KV1000的无刷电机，在电压为11伏的时候，电机的空转转速为11000转/分。KV值越大，速度越快，但是力量越小；KV值越小，速度越慢，但是力量越大。
无刷电机KV值大小类似汽车的高速挡和低速挡，汽车挂一挡时，力量最大，但是速度最慢；挂五挡时，力量最小，但速度最快
动力系统之电调17.电调全称电子调速器，英文Electronic Speed Controller，简称ESC。针对电机不同，可分为有刷电调和无刷电调。电调的功能就是控制电机的转速，完成规定速度和动作。
18.① 电调的输入线与电池连接。②电调的输出线（有刷电调两根、无刷电调三根）与电机连接。③电调的信号线与接收机或无人机的飞控输出端连接。
19.常见的无刷电调实物如左图所示，无刷电调输入是直流，可以接稳压电源或者锂电池。输出是三相交流，直接与无刷电机的三相输入端相连。如果上电后电机反转，只需要把这三根线中间的任意两根对换位置即可。电调还有三根信号线连出，用来与接收机或无人机飞控连接，控制电机的运转。
知识点：什么是螺旋桨的桨距？为什么大部分桨叶都是奇数片（不对称）？两叶桨和三叶桨有什么区别？
20.螺旋桨产生推力的原理跟固定翼机翼是一样的，可以把螺旋桨想象成机翼，将螺旋桨无限放大，每个叶面剖面相对于切向气流都是一个机翼。翼型产生升力将螺旋桨向前拉
21.螺旋桨推力靠两种力：第一种靠桨形；第二种靠桨距。桨形越好，力越大；桨距越大，力越大。桨叶的角度越大，桨距也越大。比如5046的桨，50就是尺寸为5英寸，46就是桨距。桨距小了不出力，桨距大了又失速。
22.高机动竞速的场合，就要选择竞速固定翼的螺旋桨，需要找窄桨叶、桨根厚一些、螺距大；如果需要大推力大载重，要平稳，就应该找桨薄一些、桨叶宽一点的螺旋桨。如果要兼顾竞速与载重，就要找综合性螺旋桨。根厚，桨尖薄，根上桨距大，尖端桨距小
23.有时候螺旋桨不是越结实越好，毕竟整个无人机系统是由多个部件协同工作的，如果炸机时桨结实不坏，就会把力传导给别的零件，如果损坏电机，就不划算了。初学者练习飞行难免炸机，把桨当耗材，多准备些就好。
24.为什么风扇或者螺旋桨叶片都是奇数?这是因为奇数的叶片组合能比偶数的叶片组合带来更多的性能优势。如果叶片数量设计为偶数片，并形成对称的排列方式的话，那么不但使得风扇自身的平衡性难以调整，而且容易使风扇在高速转动时产生更多的共振，从而导致叶片无法长时间承受共振产生的疲劳，最终出现叶片断裂等情况。因此，轴流风扇的设计多为不对称的奇数片叶片。
25.相同转速和桨形条件下，两叶桨的效率比较高，省电，飞行时间长；而三叶桨拉力大，费电，更暴力。两叶桨适合于用在有充足空间安装螺旋桨的机架上，可以充分发挥电机功率和螺旋桨效率，而三叶桨或者多叶桨适合于用在像微型无人机这样螺旋桨安装空间有限的飞机上，这样可以用一个比较小的桨来得到一个较大的力量。
动力系统之电池知识点：怎么理解1s1p电池和2s2p电池的区别？放电电压-剩余电能的曲线说明了什么（为什么3.7V是低电量报警电压）？
26.每节电芯的电压为3.7V，我们称之为1S，但是使用1S电池的飞机基本都是微型无人机，如本书介绍的微型FPV无人机，大部分竞速穿越无人机用3S或4S锂电的居多。
27.多少S就是把多少个3.7V串联起来，例如2S就是3.7×2=7.4V，3S就是3.7×3=11.1V，以此类推。
评论：1s1p和2s2p的区别在于串并联的方式不同
2S2P：2S2P是指无人机的电池有两个串联节点，每个节点由两个并联的电池组成，所以它也被称为“2并2”。2S2P的电池配置优势在于可以提供更高的功率，可以满足无人机更高的功率需求，因此无人机可以更快地飞行更远。
2S1P：2S1P是指无人机的电池有两个串联节点，每个节点由一个并联的电池组成，所以它也被称为“2串1并”。2S1P的电池配置优势在于可以提供更大的容量，可以满足无人机更长的飞行时间。
锂电池还涉及封装的问题，买电池时会看到有些写着2S1P，有些写着2S2P，这又是什么意思呢？2S上面说过了，就是2S=3.7×2=7.4V。那么2P呢？由于工艺、体积、成本等限制，每个电芯的容量有限，要简单地提升容量以及放电能力，只需把2个同型号的电芯并联起来，就是多少P的概念。例如2个电芯并联起来组成1个3.7V，就称之为2P；而假如用3个电芯并联起来组成一个3.7V，那么就是3P了。2S2P，可以理解为有4个一样的电芯，先把其中2块并联起来，组成1S；然后把另外2块并联起来，组成另外1S；再把这2个1S串联起来，成为2S，这个电池就称为2S2P。例如一个电芯只有3.7V/2000mA·h/15C，那么就可以通过2S2P的形式组成7.4V/4000mA·h/30C的电池。购买时，建议购买1P的产品，如2S1P，3S1P之类。这样的电池出现问题的概率相对低一些。
28.每个电池都有自己的出厂标定，以11.1V/2200mA·h/30C的锂电池为例，第一数值是电池电压，第二个数值是电池容量，第三个数值代表持续放电能力。
29.模型专用电池是不能用普通充电器的，必须要用平衡充。例如，11.1V的锂电是由3片3.7V的锂电组成，内部是3片锂电池，因为制造工艺原因，无法保证每片电池的充电放电特性都一样，电池串联的情况下，就容易造成某片电池放电过度或充电过度，所以解决办法是分别对内部单节电池充电，平衡充就是起这个作用。
30.以1S电池的放电曲线为例，了解下LiPo电池的放电特性。从放电量对应电压曲线图可以找出安全放电电压和安全充电电压
当锂电池由满电4.2V电压下降到3.7V时，总电量已经用掉90%了。此时，电池剩余的10%电量会急剧下降。如果此时无人机没返航，极易造成电池过放而起包损坏。我们一般把电池的充电截止电压设为4.2V，放电警报电压设为3.7V。一般航拍无人机都会有电压信息回传功能，有的会把电池的实时电压电流显示在遥控器上，笔者更推荐的是利用OSD设备把电池等重要飞行数据叠加显示在FPV图传画面里。这样飞手可以实时掌握飞机电量情况，及时返航。
章节：机架、飞控、图传、遥控
FPV无人机机架31.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。
玻纤维是白色的，碳纤维是黑色的，实际的板材上，玻纤维是黄色的
32.大家都知道不倒翁的原理，重心越低越稳定，但在飞行的四轴上却不同。当四轴倾斜时，如果参数理想，程序会调整力臂使姿态立刻恢复。但如果重心过低，姿态在恢复到水平位置时重心仍有一定转动惯性，越过中点，导致四轴振荡。所以四轴的重心稍低一些有助于平稳和起降，但太低则会严重影响平稳。
33.如果每次飞行降落完，用手感觉电机温度，总发现个别方向的电机过热，原因就是飞控自稳参数设置不合理，或者组装的机身重心偏移，导致无人机的个别电机为纠正偏移姿态，频繁加速，使电机过热。
FPV无人机飞控34.飞控即无人机的飞行控制器，就像无人机的大脑，用于自动保持飞行器处于一个特定的状态（悬停、飞行等）。
35.下面以SP Racing F3标准版飞控为例，看下板子的接口功能
36.PID是比例-积分-微分的缩写，将偏差的比例P、积分I和微分D通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称为PID控制器。
37.假设我们把一个小球用绳子悬挂起来，它会摆来摆去，但幅度会越来越小，最终静止在最低点。这其实就是一个PID，它使小球稳定在最低点附近。它是怎么实现的呢？在这个过程中有两个相反的力在作用：重力和空气阻力。小球离开中心点的距离越远，它受到回到中心点的力越大，这个就是P，也即回复力。小球在回到中心点的过程中，速度越快，受到的空气阻力就越大，这个就是D，也即阻尼力。
38.底层PID控制器就是手动模式时控制三个轴向的角速度，而上层PID控制器控制的是飞机三个轴的角度，上下层两种PID控制器是嵌套关系
39.自稳模式下相当于开启飞控的上层PID控制器，摇杆此时控制的是飞机的三轴角度值，摇杆居中，飞机也就恢复水平；手动模式相当于只有底层PID控制器在工作，摇杆此时控制的是飞机的三轴角速度值，摇杆居中后，飞机不再恢复水平，而是停止机身在各个轴向的角度变化，效果就是飞机会维持当前各个轴向的角度不变，向机身倾斜方向运动。
40.ROLL 代表的是横滚；PITCH 代表的是俯仰；YAW 代表的是偏航。
41.RC Rate代表响应速率，后面介绍时简称RC。Super Rate代表的是超级速率（并不是响应），后面介绍时简称SUP。
RC越高则飞机通过遥控器控制的响应速度得到提升，SUP越高就是单纯地增加了前后翻滚、方向移动的速度。RC和SUP它们又有一定的逻辑关系，RC会影响到后面SUP的数值，当RC越高的时候SUP为默认值0.7的时候，依然可以实现超级翻滚，实际体验就是当在默认值0.7感觉并不灵活的时候加高RC。
而RC为默认值1.0的时候，只增加SUP值则会实现不掉高的情况下快速翻滚一圈，但是飞机的响应速度并不快。
42.RC值的效果：飞机平飞和做任何动作以及包括加油门时，飞机的整体性能都会有所增加。SUP值的效果：只是单纯地增加飞机翻滚速度，整体性能并没有得到提升。
43.结下PID的调试思路就是，首先大家把P值改到一个自己认为舒服并且跟手的一个值（根据个人感受来），前提是飞机不抖。D值默认，I值比P值小10点即可，再进行RC值和SUP值的调节。
FPV无人机的视频图传系统44.图传系统包括：摄像头、图传发射机、图传接收机、雪花屏
45.目前航模的FPV通常是用无线方式传输AV模拟信号，使用频率一般是433MHz、1.2GHz、2.4GHz和5.8GHz这几个。频率越高，距离越远；频率越低，绕射穿透能力越强
46.433MHz这个频段在固定翼上用得多，通常适合追求超视距和穿云的模友。这是个开放的频段，也是业余无线电中最为拥挤的频段，手持的对讲机在5W以内很常见，车载的30W也很常用，所以要注意防干扰，最好配置定向天线。
47.5.8GHz也是一个对民用开放的频段，无需无线电委员会的许可证，是目前主流的图传频率。目前在5.8GHz工作的设备较少，这个频段相对比较安静，干扰较少。但有利也有弊，频率越高电子元器件的造价越高，对天线等精度要求更高
48.图传天线有三叶草、四叶草、棒子、平板、双菱、多菱、八木、抛物面天线等。其中最常用的三叶草、四叶草为近程天线，如下图所示。不过它是全向的，棒子虽号称全向天线，不过明显没有多叶草角度大，信号死角比多叶草大。
49.图传接收设备会自动选择信号较强的天线来工作。因此，推荐两支天线：一支为近程蘑菇全向天线（三叶草、四叶草），保证飞机在飞手周围飞行时信号无死角；另一支为远程平板天线，有较强的指向性。这样既可以兼顾近程无死角，又可以兼顾定向远飞。
FPV无人机无线电控制系统—遥控器50.一般遥控器多数会分成三种遥控传输方式，分别是红外线、FM或AM无线电以及2.4GHz。
51.红外线遥控缺点非常明显，首先是距离短，其次外界因素影响大，有严格的方向性，也就是遥控发射器一定要对着被遥控的物体。
52.FM、AM无线电调频和调幅方式遥控，又分成PCM和PPM两种调频编码方式。PCM脉冲编码调制，又称脉码调制，多为遥控器厂商独立编写制式，有很强的抗干扰性和高可靠性，但是如果采用这种制式的设备必须要对应厂商出厂的设备，如Futaba遥控器不能使用JR的PCM接收机。PPM脉冲位置则为公开编码方式，只要遥控器支持PPM方式，就不必须要使用原厂品牌的接收器，所以曾经出现很多国产第三方接收器的方案。
53.FM、AM无线电调频和调幅方式遥控优点是全方位无向性，而且遥控距离远，遥控器如果加增频器后，可以遥控数公里的距离，但是缺点也是有的，因为采用PPM或者PCM制式遥控时，某个频段可以分出来的频点有限，所以在飞行之前必须询问同场的飞友分别在使用哪个频点，如果大家都用同一个频点的话，会引起失控的后果。
54.2.4G实际是2.4GHz的省略叫法，2.4G属于ISM（开放给工业、科学、医学使用）频段的一种，我们常用的Wi-Fi、蓝牙、家用无绳电话都会使用到，2.4GHz属于微波波长。
2.4G相较于FM发射的最大优势在于2.5G有100MHz的频宽，而FM发射频宽则很窄，所以在使用FM时候，容易受到同频及相近频率的干扰。而且，RC遥控器上面的2.4G还会用到展频调变的方式，就是在发射信号时候将信号分散地丢在不同的频率上面传输，这样就不容易受特定频率其他信号的干扰，而且所消耗的功率会比FM发射要少很多。
摇杆模式55.Rud、Thr、Ele、Ail这四个摇杆对应的功能名称，是依据固定翼飞机控制装置命名规则制定的，如Ail是英文单词Ailereon的缩写，即副翼。
Ele是英文单词Elevator的缩写，即升降舵；Ail是英文单词Ailereon的缩写，即副翼，其用来控制无人机绕纵轴做横滚运动（Roll），当前遥控器设置为通过遥控器右侧舵杆左右打舵控制横滚方向；hr是英文单词Throttle的缩写，即油门；Rud是英文单词Rudder的缩写，即方向舵，控制无人机绕立轴做偏航运动（Yaw），通过无人机左侧舵杆左右打舵控制机身是逆时针还是顺时针偏航。