动手打造专属四旋翼 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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原文作者： Donald Norris

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• 四旋翼
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• 飞行控制
• 嵌入式系统
• 开源硬件
• 机器人
• 航空模型

　　制作一台能够起飞、着地、盘旋并翱翔天际的自制遥控飞行器。《动手打造专属四旋翼》，并使用Parallax ® Elev-8套件提升您的设计；透过一步一步的组装流程与实验，让您立刻了解四旋翼可以执行的事情、知道如何连接Elev-8的零件、编写微控制器的程式、使用GPS在四旋翼上且安全地操作。透过自行设定四旋翼返家功能、列队飞行甚至人工智慧等有趣的教学，提升您的设计基础并刺激您充满创意的想法。

本书特色

　　1、了解控制四旋翼飞行背后的原理
　　2、探索您的Parallax ® Elev-8套件中的组件
　　3、透过插图的基础教学指引完成您的飞行器
　　4、连接Parallax到您的电脑并撰写Spin与C语言
　　5、建立拥有极小干扰的遥控系统
　　6、添加GPS系统来透过Google Earth追踪您的飞行器
　　7、透过WiFi与XBee模组来传送您的飞行器资讯到手机
　　8、装置镜头并即时传送影像到地面工作站
　　9、透过飞行模拟软体的模拟训练您安全的操控四旋翼
 

《飞翔的艺术：现代航空原理与实践探微》 书籍简介 本书旨在为所有对航空现象抱有浓厚兴趣的读者，提供一个全面而深入的知识框架，涵盖现代飞行器的设计理念、空气动力学基础、推进系统原理，以及先进的导航与控制技术。我们避开了具体动手制作某一特定模型（如四旋翼机）的步骤，而是将焦点放在支撑所有飞行器翱翔的普适性科学原理和工程设计哲学之上。 全书共分为六大部分，循序渐进地引导读者领略飞行的奥秘。 --- 第一部分：空气动力学的基石——理解升力与阻力 本部分是全书的理论核心。我们将深入剖析流体力学的基础概念，特别是伯努利原理、牛顿第三定律在空气动力学中的实际应用。重点讲解机翼剖面（翼型）的设计如何影响气流分离与压力分布，从而产生有效升力。 流场分析： 介绍层流、湍流的概念，以及雷诺数对飞行性能评估的重要性。 升力方程的推导与应用： 详细解析升力系数（$C_L$）与迎角（Angle of Attack, $alpha$）之间的非线性关系，并探讨失速（Stall）现象的物理成因与规避策略。 阻力特性： 区分寄生阻力（诱导阻力、压差阻力和摩擦阻力）与干扰阻力，阐述如何通过优化外形设计来降低整体阻力，提升飞行效率。 空气动力中心与静力矩： 解释这些概念如何决定飞机的固有稳定性，以及如何通过设计尾翼等舵面来调整力矩平衡。 第二部分：飞行器的结构与材料科学 成功的飞行器不仅需要优美的外形，更需要坚固而轻量化的“骨架”。本部分聚焦于现代航空结构的设计原则和先进材料的应用。 结构载荷分析： 探讨起飞、爬升、巡航及俯冲等不同飞行阶段对机身、机翼和起落架施加的载荷类型（拉伸、压缩、剪切、扭转）。 结构设计范式： 比较桁架式结构、蒙皮承力结构（Semi-monocoque）和全承力结构（Monocoque）的优缺点及其适用场景。 先进复合材料： 深入介绍碳纤维增强聚合物（CFRP）、玻璃纤维等在航空航天领域的应用，讨论其高比强度、抗疲劳特性，以及铺层设计对结构各向异性的影响。 疲劳与损伤容限： 强调航空安全至上的理念，介绍结构疲劳测试、裂纹扩展分析（Fracture Mechanics）的基础知识。 第三部分：推进系统的演进与热力学 飞行器如何获得推动力？本部分将从热力学角度审视各种推进系统的效率与特性。 喷气发动机原理： 详细解析Brayton循环在涡轮喷气和涡轮风扇发动机中的应用。重点分析高涵道比（Bypass Ratio）风扇发动机提升推力和降低噪音的工程学意义。 螺旋桨理论： 阐述螺旋桨作为旋转机翼的工作原理，分析叶素动量理论（Blade Element Momentum Theory, BEM）如何用于优化桨叶的几何形状以获得最大推进效率。 活塞发动机与燃油效率： 探讨往复式发动机在通用航空中的地位，分析其热效率、体积效率，以及涡轮增压技术对高海拔性能的改善。 能量管理： 讨论不同推进系统在不同速度和高度范围内的最佳工作点选择。 第四部分：飞行控制与导航系统 现代飞行器之所以能实现精确操控和自主飞行，依赖于复杂的传感器和控制算法。本部分将系统介绍飞行控制的核心技术。 飞行姿态感知： 深入讲解惯性测量单元（IMU）的构成，包括陀螺仪和加速度计的工作原理，以及如何通过卡尔曼滤波（Kalman Filtering）融合多源数据以获取精确姿态角（俯仰、滚转、偏航）。 控制回路理论： 引入PID（比例-积分-微分）控制器作为基础，解释其在稳定飞行姿态中的作用。探讨如何通过增益调校（Tuning）来平衡系统的响应速度与稳定性。 飞行动力学模型： 建立描述刚体在空气中运动的六自由度（6-DOF）数学模型，为后续的仿真与设计提供理论基础。 全球导航与定位： 概述全球导航卫星系统（GNSS）的工作原理，及其在精确授时和位置确定中的关键作用。 第五部分：任务载荷与电子系统集成 任何飞行器都需要携带特定的载荷并完成特定任务。本部分关注如何将有效载荷安全有效地集成到飞行平台中。 载荷集成与平衡： 分析有效载荷（如传感器、通信设备或观测仪器）的重量、体积和重心对整体飞行特性的影响，强调中心（CG）位置的重要性。 电源管理系统（PMS）： 讨论从电池化学特性到高效功率分配的工程挑战，尤其是在需要长时间续航的平台中。 遥测与通信链路： 介绍数据链的设计原则，包括频率选择、抗干扰能力以及数据压缩技术，以确保地面站与飞行器之间可靠的信息交换。 第六部分：安全、法规与未来展望 本章将视角从工程技术提升到宏观应用层面。 适航性与认证基础： 概述航空安全标准的基本框架，讨论设计过程中的冗余设计（Redundancy）和故障容错机制。 环境适应性设计： 探讨极端温度、高湿度和气压变化对电子设备和结构完整性的影响，以及相应的环境测试标准。 未来趋势： 展望电动垂直起降（eVTOL）技术、人工智能在自主飞行路径规划中的应用，以及超高音速飞行的空气动力学挑战。 适合读者： 本书适合所有希望从根本原理上理解飞机、直升机、乃至先进无人飞行器设计与操作的工程师、专业技术人员、航空爱好者，以及相关专业的高年级学生。它不提供任何具体的硬件装配指南，而是致力于构建一个坚实的、可迁移的航空科学知识体系。通过本书的学习，读者将能够独立分析和评估各种飞行器的设计优劣，并理解支撑其飞行的底层物理定律。

作者简介

唐纳‧诺里斯（Donald Norris）

　　唐纳˙诺里斯在大学主修电机工程，并取得产品管理的MBA学位。本文作者目前任教于南新罕布希尔大学（Southern New Hampshire University），教授领域多为IT相关，同时也开设机器人课程。他拥有超过30年的丰富教学经验，曾在多所大学中担任兼任教授。

　　诺里斯先生在海军服役时期，曾潜心于核潜艇的声学研究以及相关数位讯号处理技术。退役至今逾十七年，身为专业软体工程师的他擅长使用C、C#、C++、Python、Java等程式语言，曾担任过五年专业IT保安顾问。

　　尔后，诺里斯先生创立自己的顾问公司──Norris Embedded Software Solutions，主要为微处理器及微控制器的应用及疑问提供谘询解决服务。他称自己为「永远的技术宅」，致力于探索跳脱框架的创新科学实验。他拥有私人飞行执照、活跃于美国民间航空巡逻组织（Civil Air Patrol）中，同时也是个摄影及业余无线电爱好者，并热衷于跑步。

　　诺里斯另着有Raspberry Pi Projects for the Evil Genius一书。

译者简介

CAVEDU教育团队

　　CAVEDU教育团队是由一群对教育充满热情的大孩子所组成的机器人科学教育团队，于2008年初创办之后即积极推动国内之机器人教育，以出版书籍、技术研发、教学研习与设备贩售为团队主轴，希望能让所有有心学习机器人课程的朋友，皆能取得优质的服务与课程。本团队已出版多本机器人、Arduino、Raspbery Pi程式设计与数位互动等专业书籍，并定期举办研习会与新知发表，期望带给国内的科学DIY爱好者更丰富与多元的学习内容。

　　www.cavedu.com
 

前言
第一章  四旋翼简介
第二章  四旋翼飞行动力学
第三章  打造Elev-8
第四章　编写Parallax Propeller晶片程式
第五章  四旋翼的推进方式
第六章　无线电控制系统与遥测
第七章　伺服机与扩充伺服机控制系统
第八章　GPS与即时状况显示
第九章　机载影像系统
第十章　训练教学与性能检查
第十一章  改进方案与后续计划

多旋翼直升机简史
 
多旋翼直升机中最为大家所熟知的，是以四个螺旋桨产升上升力的四旋翼（quadrotor或quadcopter）。它真的是台直升机，因为其升力是由较窄的水平转动旋翼产生。四旋翼的设计最早可追溯至1920年代的「De Bothezat」（如图1-1），这是一台能载人飞行的直升机，该原型当时是由美国陆军委託研发制造。
 
1922年10月，这台四旋翼直升机进行了第一次试飞，地点在现今的俄亥俄州戴顿的赖特．派特森空军基地。事实上，这台直升机进行第一次试飞时有六个螺旋桨，后来有两个螺旋桨被认为不必要而移除掉。De Bothezat在几年间试飞了超过上百次，但从来没有飞离地超过五公尺，以及做出横向的移动。这是因为对驾驶者来说，仅仅维持飞行高度就是一种具复杂性的高难度挑战，所以更别说想试着横向移动了。多旋翼直升机的发展因为横向移动控制而受到了阻碍，直到能大幅减低驾驶员工作量的电脑辅助计算飞行控制系统的发明和运用后，情况才有所改变。美国陆军在1930年代早期失去了对「De Bothezat」的兴趣而让专案寿终正寝，此专案总共花费超过20万美元。
 
从1930年代早期到1940年代中期，直升机的发展渐趋停滞，至少在美国本土是这样。但随着二次世界大战结束，直升机的开发工作又重新启动，但多着重在传统的设计，如採用主轴结合尾轴，或同转主轴子这类的方式。无疑地，初期投资直升机的研发是着眼于它的可装载力，四旋翼预期带来的好处则远远大于它的复杂度与令人诟病的飞行特点。
 
美国陆军终于研发出一款能派上用场的重载荷、纵列双旋翼直升机——「Cinhook」，编号CH-47。尽管这款直升机是在1960年代设计的，但为适应现今的环境经过多次改良与升级，目前仍是许多国家的现役机种。
 
美国国防部也有赞助「Osprey（型号V-22）」的研发与制造，这是一台混合动力、双倾转旋翼飞机，它可以像双旋翼直升机一样起降，但在巡航模式时，它的双翼可转到水平位置，进行像传统飞机一样地飞行。图1.2是V-22里驾驶舱的照片，可看到所有驾驶员可使用的惊奇科技。
 
Chinook与Osprey都利用了电脑辅助飞行控制系统来大幅降低驾驶员的工作负荷，让飞机能够实际安全地飞行，否则连起飞都几乎是不可能的事。

评分☆☆☆☆☆

**评价七：** 我是一名学生，对机器人和自动化技术非常感兴趣，一直想在课余时间动手实践，用自己的双手创造一些东西。《动手打造专属四旋翼》这本书，为我提供了一个绝佳的学习平台。它不仅仅是教授如何组装无人机，更是让我有机会接触到一些先进的工程技术和编程知识。书中对于飞控算法的讲解，虽然没有深入到数学公式，但对于PID控制、姿态解算等核心算法的原理和应用，有了清晰的介绍。这让我对控制理论有了初步的认识。而且，书中还介绍了一些关于传感器融合、路径规划等概念，这让我对未来的学习方向有了更明确的规划。最让我感到兴奋的是，书中鼓励读者进行二次开发和创新，例如尝试用Arduino或者树莓派来控制无人机，或者为其增加一些有趣的功能。这给了我很大的创作空间。

评分☆☆☆☆☆

**评价十：** 我一直认为，真正的学习是能够将理论知识与实际操作相结合的过程。《动手打造专属四旋翼》这本书，正是这样一个典范。作者在书中，不仅仅提供了大量的理论知识，更是将这些理论知识“落地”，通过具体的组装、调试和试飞过程，让读者能够亲身体验到理论的魅力。我非常喜欢书中在讲解飞行原理时，常常会结合实际飞行中的现象进行解释，比如在讲解万向节效应时，他会结合无人机在起飞或降落时容易出现的横向晃动来进行说明，这让我对那些抽象的物理概念有了生动的理解。而且，书中对于安全性的强调，也让我印象深刻。作者在书中反复提醒读者要注意飞行安全，例如选择开阔的场地、检查飞机状态、熟悉遥控操作等。这让我不仅仅是在学习技术，更是在培养一种负责任的工程师精神。

评分☆☆☆☆☆

**评价二：** 我是一名航空模型爱好者，接触四旋翼飞行器也有几年了，但总觉得自己的知识体系不够扎实，尤其是在一些关键的调试和优化环节，总是感觉“差一口气”。《动手打造专属四旋翼》这本书，完全颠覆了我之前的一些认知，也填补了我知识上的许多空白。作者在书中对于飞控参数的讲解，简直是我的福音。他详细阐述了PID参数的作用，以及如何根据不同的飞行需求（例如航拍、竞速、穿越）进行调整。更难能可贵的是，他提供了一些具体的调参思路和方法，甚至是一些“踩坑”经验，这对于普通爱好者来说，简直是无价之宝。我曾经为了调好一个油门曲线，花了好几天时间，结果效果甚微，现在看了书中的方法，我才明白之前走了多少弯路。书中对遥控器和接收机的配对、通道设置、模式切换等操作的讲解也十分到位，让我对这些看似简单的步骤有了更深刻的理解。而且，书中不仅仅是理论，还有大量的实践指导，比如如何搭建测试平台，如何进行初步的飞行测试，如何排除常见的故障等等，这些都是我在实际操作中遇到的，也是我急需解决的。

评分☆☆☆☆☆

**评价三：** 作为一个对电子工程和编程都有一定兴趣的“理工宅”，我一直梦想着能亲手打造一架属于自己的高性能四旋翼。但现实总是骨感的，市面上很多教程要么技术门槛太高，要么缺乏实际操作指导，要么就是零散的知识点堆砌。《动手打造专属四旋翼》这本书，简直是为我量身定做的。它在理论深度和实践指导之间找到了一个完美的平衡点。作者在讲解飞控原理时，并没有回避微控制器（MCU）和传感器（如陀螺仪、加速度计）的工作原理，甚至还涉及到一些基本的嵌入式编程概念。这对于我这种喜欢刨根问底的人来说，简直是太棒了。我非常喜欢他对飞控算法的讲解，虽然没有深入到数学公式的推导，但对于模糊逻辑、卡尔曼滤波等核心概念的解释，以及它们在四旋翼姿态控制中的应用，我有了清晰的认识。更重要的是，书中对于固件的编译、刷写以及一些高级功能的实现，比如GPS定位、自动返航、避障等，都给出了详细的步骤和说明，甚至还包含了一些代码示例。这让我对无人机的智能化有了更深的憧憬。

评分☆☆☆☆☆

**评价八：** 在我看来，《动手打造专属四旋翼》这本书，最大的价值在于它提供了一种“解决问题”的思维方式，而不仅仅是“完成任务”。作者在书中，不仅仅是提供一个制作教程，更是教会读者如何去分析问题、解决问题。例如，在讲解如何选择合适的螺旋桨时，他会从推力、效率、噪音等多个角度进行分析，并给出不同的选择方案。在讲解如何进行电机和电调的匹配时，他会强调不同参数之间的影响，并指导读者如何进行计算和验证。我尤其欣赏书中对于“调试”的重视，作者反复强调，无人机的性能往往体现在精细的调试中，他提供了一些具体的调试方法和工具，让读者能够科学地优化飞机的飞行性能。这与我以往接触的许多教程，仅仅停留在“组装完成”的层面，有着本质的区别。

评分☆☆☆☆☆

**评价四：** 我一直对航拍有浓厚的兴趣，而四旋翼正是实现这一梦想的最佳工具。在购买了市面上几款主流的航拍无人机后，我总觉得它们的功能和性能还是有局限性，而且价格也令人望而却步。于是，我萌生了自己动手打造一架的想法。《动手打造专属四旋翼》这本书，完全满足了我的需求。它不仅仅是教会我如何组装，更重要的是让我理解了不同部件如何协同工作，以及如何根据自己的需求进行定制。书中在选择云台和图传系统时，给出了非常实用的建议，比如不同像素的摄像头对画质的影响，以及不同频段的图传在穿透性和稳定性上的差异。我印象最深刻的是，书中对于如何优化飞行稳定性以获得更好的航拍画面的讲解，这涉及到对帧率、曝光时间、防抖算法等方面的权衡。此外，书中还介绍了如何为四旋翼加装一些辅助设备，例如LED灯、GPS模块，甚至是一些简单的传感器，这让我对未来升级和扩展有了更多的想法。

评分☆☆☆☆☆

**评价一：** 这本书，说实话，刚拿到手的时候，我并没有抱太大的期望。市面上关于DIY无人机的书籍和教程实在是太多了，很多都停留在“组装”的层面，或者内容过于零散，根本无法形成一个完整的知识体系。然而，《动手打造专属四旋翼》却给了我一个大大的惊喜。从封面设计上就能看出它的用心，简洁而富有科技感，让人眼前一亮。翻开第一页，扑面而来的便是作者严谨而系统的讲解。他没有一开始就抛出复杂的理论，而是循序渐进，从最基础的四旋翼飞行器工作原理讲起，比如空气动力学对飞行的影响，不同旋翼转速如何产生推力和扭矩，以及姿态控制的原理。这部分内容虽然听起来枯燥，但作者却用通俗易懂的语言，辅以大量清晰的图示，将抽象的概念具象化。我尤其喜欢他对每个组件的介绍，不仅仅是列出名称和功能，更是深入剖析了其工作机制，比如电机的选择，为何要考虑KV值、外转子还是内转子；电调的功耗和散热问题；飞控的选择，不同芯片的优劣势分析，以及固件刷写和校准的注意事项。让我这种初学者也能茅塞顿开，不再是盲目选择，而是有理有据地进行决策。

评分☆☆☆☆☆

**评价六：** 我原本是一个对无人机一窍不通的“小白”，但《动手打造专属四旋翼》这本书，却让我一步步走进了这个充满魅力的领域。书中从最基础的术语解释开始，循序渐进，没有任何跳跃。我非常欣赏作者在讲解过程中，常常会引用一些生活中的例子来类比复杂的概念，比如用“水龙头关水”来比喻电调对电机动力的控制，用“平衡车”来类比四旋翼的姿态保持。这使得我能够毫不费力地理解那些原本可能让我望而却步的技术原理。书中在组装过程中，提供了大量的照片和图解，每一个步骤都清晰明了，甚至连螺丝刀的型号、焊接的技巧都进行了详细说明。这让我这个动手能力不强的人，也能够顺利地完成组装。更重要的是，书中还提供了一些常见故障的排除指南，这让我即使在遇到问题时，也能找到解决的方向。

评分☆☆☆☆☆

**评价九：** 我是一名对复古科技有着特殊情怀的人，我喜欢那些需要动手去感受、去创造的产品。《动手打造专属四旋翼》这本书，恰恰满足了我的这种情怀。它让我有机会深入了解四旋翼无人机的每一个“零件”，从最原始的电机、电调，到复杂的飞控主板，再到精密的遥控设备。作者在书中，用一种非常“工匠精神”的态度，去拆解和讲解每一个部件的构造和原理。我喜欢他对每个元器件的“故事”的讲述，比如某个元器件的演变历史，某个技术的突破过程。这让我不仅仅是在组装，更是在与科技的历史对话。书中对于焊接、布线等细节的处理，也体现了作者的严谨和细致，他提醒读者注意一些容易被忽略的细节，比如导线的粗细、焊点的饱满度等。这些看似微小的环节，却直接影响着无人机的性能和寿命。

评分☆☆☆☆☆

**评价五：** 我是一个喜欢钻研技术细节的人，对于任何一个产品的设计和实现，我都希望能够深入了解其背后的原理。《动手打造专属四旋翼》这本书，满足了我这种“好奇心”。它不仅仅停留在“怎么做”，更注重“为什么这么做”。作者在书中对每一个元器件的选择，都进行了详尽的论证，比如为什么选择这款电机，它的功率和扭矩如何匹配机身和螺旋桨；为什么选择这款电池，它的容量和放电倍率对续航和动力有什么影响；为什么选择这款遥控器，它的编码方式和传输协议有什么特点。我尤其喜欢书中关于电磁兼容（EMC）的讨论，虽然这部分内容对很多爱好者来说可能有点晦涩，但作者却用非常通俗的语言，解释了电磁干扰如何影响飞控的正常工作，以及如何通过合理的布线和屏蔽来降低干扰。这让我对无人机的可靠性有了更深层次的认识。