動手打造專屬四鏇翼 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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原文作者： Donald Norris

圖書標籤:

• 四鏇翼
• 無人機
• DIY
• 電子製作
• Arduino
• 飛行控製
• 嵌入式係統
• 開源硬件
• 機器人
• 航空模型

　　製作一颱能夠起飛、著地、盤鏇並翱翔天際的自製遙控飛行器。《動手打造專屬四鏇翼》，並使用Parallax ® Elev-8套件提升您的設計；透過一步一步的組裝流程與實驗，讓您立刻瞭解四鏇翼可以執行的事情、知道如何連接Elev-8的零件、編寫微控製器的程式、使用GPS在四鏇翼上且安全地操作。透過自行設定四鏇翼返傢功能、列隊飛行甚至人工智慧等有趣的教學，提升您的設計基礎並刺激您充滿創意的想法。

本書特色

　　1、瞭解控製四鏇翼飛行背後的原理
　　2、探索您的Parallax ® Elev-8套件中的組件
　　3、透過插圖的基礎教學指引完成您的飛行器
　　4、連接Parallax到您的電腦並撰寫Spin與C語言
　　5、建立擁有極小乾擾的遙控係統
　　6、添加GPS係統來透過Google Earth追蹤您的飛行器
　　7、透過WiFi與XBee模組來傳送您的飛行器資訊到手機
　　8、裝置鏡頭並即時傳送影像到地麵工作站
　　9、透過飛行模擬軟體的模擬訓練您安全的操控四鏇翼
 

《飛翔的藝術：現代航空原理與實踐探微》 書籍簡介 本書旨在為所有對航空現象抱有濃厚興趣的讀者，提供一個全麵而深入的知識框架，涵蓋現代飛行器的設計理念、空氣動力學基礎、推進係統原理，以及先進的導航與控製技術。我們避開瞭具體動手製作某一特定模型（如四鏇翼機）的步驟，而是將焦點放在支撐所有飛行器翱翔的普適性科學原理和工程設計哲學之上。 全書共分為六大部分，循序漸進地引導讀者領略飛行的奧秘。 --- 第一部分：空氣動力學的基石——理解升力與阻力 本部分是全書的理論核心。我們將深入剖析流體力學的基礎概念，特彆是伯努利原理、牛頓第三定律在空氣動力學中的實際應用。重點講解機翼剖麵（翼型）的設計如何影響氣流分離與壓力分布，從而産生有效升力。 流場分析： 介紹層流、湍流的概念，以及雷諾數對飛行性能評估的重要性。 升力方程的推導與應用： 詳細解析升力係數（$C_L$）與迎角（Angle of Attack, $alpha$）之間的非綫性關係，並探討失速（Stall）現象的物理成因與規避策略。 阻力特性： 區分寄生阻力（誘導阻力、壓差阻力和摩擦阻力）與乾擾阻力，闡述如何通過優化外形設計來降低整體阻力，提升飛行效率。 空氣動力中心與靜力矩： 解釋這些概念如何決定飛機的固有穩定性，以及如何通過設計尾翼等舵麵來調整力矩平衡。 第二部分：飛行器的結構與材料科學 成功的飛行器不僅需要優美的外形，更需要堅固而輕量化的“骨架”。本部分聚焦於現代航空結構的設計原則和先進材料的應用。 結構載荷分析： 探討起飛、爬升、巡航及俯衝等不同飛行階段對機身、機翼和起落架施加的載荷類型（拉伸、壓縮、剪切、扭轉）。 結構設計範式： 比較桁架式結構、濛皮承力結構（Semi-monocoque）和全承力結構（Monocoque）的優缺點及其適用場景。 先進復閤材料： 深入介紹碳縴維增強聚閤物（CFRP）、玻璃縴維等在航空航天領域的應用，討論其高比強度、抗疲勞特性，以及鋪層設計對結構各嚮異性的影響。 疲勞與損傷容限： 強調航空安全至上的理念，介紹結構疲勞測試、裂紋擴展分析（Fracture Mechanics）的基礎知識。 第三部分：推進係統的演進與熱力學 飛行器如何獲得推動力？本部分將從熱力學角度審視各種推進係統的效率與特性。 噴氣發動機原理： 詳細解析Brayton循環在渦輪噴氣和渦輪風扇發動機中的應用。重點分析高涵道比（Bypass Ratio）風扇發動機提升推力和降低噪音的工程學意義。 螺鏇槳理論： 闡述螺鏇槳作為鏇轉機翼的工作原理，分析葉素動量理論（Blade Element Momentum Theory, BEM）如何用於優化槳葉的幾何形狀以獲得最大推進效率。 活塞發動機與燃油效率： 探討往復式發動機在通用航空中的地位，分析其熱效率、體積效率，以及渦輪增壓技術對高海拔性能的改善。 能量管理： 討論不同推進係統在不同速度和高度範圍內的最佳工作點選擇。 第四部分：飛行控製與導航係統 現代飛行器之所以能實現精確操控和自主飛行，依賴於復雜的傳感器和控製算法。本部分將係統介紹飛行控製的核心技術。 飛行姿態感知： 深入講解慣性測量單元（IMU）的構成，包括陀螺儀和加速度計的工作原理，以及如何通過卡爾曼濾波（Kalman Filtering）融閤多源數據以獲取精確姿態角（俯仰、滾轉、偏航）。 控製迴路理論： 引入PID（比例-積分-微分）控製器作為基礎，解釋其在穩定飛行姿態中的作用。探討如何通過增益調校（Tuning）來平衡係統的響應速度與穩定性。 飛行動力學模型： 建立描述剛體在空氣中運動的六自由度（6-DOF）數學模型，為後續的仿真與設計提供理論基礎。 全球導航與定位： 概述全球導航衛星係統（GNSS）的工作原理，及其在精確授時和位置確定中的關鍵作用。 第五部分：任務載荷與電子係統集成 任何飛行器都需要攜帶特定的載荷並完成特定任務。本部分關注如何將有效載荷安全有效地集成到飛行平颱中。 載荷集成與平衡： 分析有效載荷（如傳感器、通信設備或觀測儀器）的重量、體積和重心對整體飛行特性的影響，強調中心（CG）位置的重要性。 電源管理係統（PMS）： 討論從電池化學特性到高效功率分配的工程挑戰，尤其是在需要長時間續航的平颱中。 遙測與通信鏈路： 介紹數據鏈的設計原則，包括頻率選擇、抗乾擾能力以及數據壓縮技術，以確保地麵站與飛行器之間可靠的信息交換。 第六部分：安全、法規與未來展望 本章將視角從工程技術提升到宏觀應用層麵。 適航性與認證基礎： 概述航空安全標準的基本框架，討論設計過程中的冗餘設計（Redundancy）和故障容錯機製。 環境適應性設計： 探討極端溫度、高濕度和氣壓變化對電子設備和結構完整性的影響，以及相應的環境測試標準。 未來趨勢： 展望電動垂直起降（eVTOL）技術、人工智能在自主飛行路徑規劃中的應用，以及超高音速飛行的空氣動力學挑戰。 適閤讀者： 本書適閤所有希望從根本原理上理解飛機、直升機、乃至先進無人飛行器設計與操作的工程師、專業技術人員、航空愛好者，以及相關專業的高年級學生。它不提供任何具體的硬件裝配指南，而是緻力於構建一個堅實的、可遷移的航空科學知識體係。通過本書的學習，讀者將能夠獨立分析和評估各種飛行器的設計優劣，並理解支撐其飛行的底層物理定律。

作者簡介

唐納‧諾裏斯（Donald Norris）

　　唐納˙諾裏斯在大學主修電機工程，並取得産品管理的MBA學位。本文作者目前任教於南新罕布希爾大學（Southern New Hampshire University），教授領域多為IT相關，同時也開設機器人課程。他擁有超過30年的豐富教學經驗，曾在多所大學中擔任兼任教授。

　　諾裏斯先生在海軍服役時期，曾潛心於核潛艇的聲學研究以及相關數位訊號處理技術。退役至今逾十七年，身為專業軟體工程師的他擅長使用C、C#、C++、Python、Java等程式語言，曾擔任過五年專業IT保安顧問。

　　爾後，諾裏斯先生創立自己的顧問公司──Norris Embedded Software Solutions，主要為微處理器及微控製器的應用及疑問提供諮詢解決服務。他稱自己為「永遠的技術宅」，緻力於探索跳脫框架的創新科學實驗。他擁有私人飛行執照、活躍於美國民間航空巡邏組織（Civil Air Patrol）中，同時也是個攝影及業餘無綫電愛好者，並熱衷於跑步。

　　諾裏斯另著有Raspberry Pi Projects for the Evil Genius一書。

譯者簡介

CAVEDU教育團隊

　　CAVEDU教育團隊是由一群對教育充滿熱情的大孩子所組成的機器人科學教育團隊，於2008年初創辦之後即積極推動國內之機器人教育，以齣版書籍、技術研發、教學研習與設備販售為團隊主軸，希望能讓所有有心學習機器人課程的朋友，皆能取得優質的服務與課程。本團隊已齣版多本機器人、Arduino、Raspbery Pi程式設計與數位互動等專業書籍，並定期舉辦研習會與新知發錶，期望帶給國內的科學DIY愛好者更豐富與多元的學習內容。

　　www.cavedu.com
 

前言
第一章  四鏇翼簡介
第二章  四鏇翼飛行動力學
第三章  打造Elev-8
第四章　編寫Parallax Propeller晶片程式
第五章  四鏇翼的推進方式
第六章　無綫電控製係統與遙測
第七章　伺服機與擴充伺服機控製係統
第八章　GPS與即時狀況顯示
第九章　機載影像係統
第十章　訓練教學與性能檢查
第十一章  改進方案與後續計劃

多鏇翼直升機簡史
 
多鏇翼直升機中最為大傢所熟知的，是以四個螺鏇槳産升上升力的四鏇翼（quadrotor或quadcopter）。它真的是颱直升機，因為其升力是由較窄的水平轉動鏇翼産生。四鏇翼的設計最早可追溯至1920年代的「De Bothezat」（如圖1-1），這是一颱能載人飛行的直升機，該原型當時是由美國陸軍委託研發製造。
 
1922年10月，這颱四鏇翼直升機進行瞭第一次試飛，地點在現今的俄亥俄州戴頓的賴特．派特森空軍基地。事實上，這颱直升機進行第一次試飛時有六個螺鏇槳，後來有兩個螺鏇槳被認為不必要而移除掉。De Bothezat在幾年間試飛瞭超過上百次，但從來沒有飛離地超過五公尺，以及做齣橫嚮的移動。這是因為對駕駛者來說，僅僅維持飛行高度就是一種具復雜性的高難度挑戰，所以更彆說想試著橫嚮移動瞭。多鏇翼直升機的發展因為橫嚮移動控製而受到瞭阻礙，直到能大幅減低駕駛員工作量的電腦輔助計算飛行控製係統的發明和運用後，情況纔有所改變。美國陸軍在1930年代早期失去瞭對「De Bothezat」的興趣而讓專案壽終正寢，此專案總共花費超過20萬美元。
 
從1930年代早期到1940年代中期，直升機的發展漸趨停滯，至少在美國本土是這樣。但隨著二次世界大戰結束，直升機的開發工作又重新啓動，但多著重在傳統的設計，如採用主軸結閤尾軸，或同轉主軸子這類的方式。無疑地，初期投資直升機的研發是著眼於它的可裝載力，四鏇翼預期帶來的好處則遠遠大於它的復雜度與令人詬病的飛行特點。
 
美國陸軍終於研發齣一款能派上用場的重載荷、縱列雙鏇翼直升機——「Cinhook」，編號CH-47。盡管這款直升機是在1960年代設計的，但為適應現今的環境經過多次改良與升級，目前仍是許多國傢的現役機種。
 
美國國防部也有贊助「Osprey（型號V-22）」的研發與製造，這是一颱混閤動力、雙傾轉鏇翼飛機，它可以像雙鏇翼直升機一樣起降，但在巡航模式時，它的雙翼可轉到水平位置，進行像傳統飛機一樣地飛行。圖1.2是V-22裏駕駛艙的照片，可看到所有駕駛員可使用的驚奇科技。
 
Chinook與Osprey都利用瞭電腦輔助飛行控製係統來大幅降低駕駛員的工作負荷，讓飛機能夠實際安全地飛行，否則連起飛都幾乎是不可能的事。

评分☆☆☆☆☆

**評價三：** 作為一個對電子工程和編程都有一定興趣的“理工宅”，我一直夢想著能親手打造一架屬於自己的高性能四鏇翼。但現實總是骨感的，市麵上很多教程要麼技術門檻太高，要麼缺乏實際操作指導，要麼就是零散的知識點堆砌。《動手打造專屬四鏇翼》這本書，簡直是為我量身定做的。它在理論深度和實踐指導之間找到瞭一個完美的平衡點。作者在講解飛控原理時，並沒有迴避微控製器（MCU）和傳感器（如陀螺儀、加速度計）的工作原理，甚至還涉及到一些基本的嵌入式編程概念。這對於我這種喜歡刨根問底的人來說，簡直是太棒瞭。我非常喜歡他對飛控算法的講解，雖然沒有深入到數學公式的推導，但對於模糊邏輯、卡爾曼濾波等核心概念的解釋，以及它們在四鏇翼姿態控製中的應用，我有瞭清晰的認識。更重要的是，書中對於固件的編譯、刷寫以及一些高級功能的實現，比如GPS定位、自動返航、避障等，都給齣瞭詳細的步驟和說明，甚至還包含瞭一些代碼示例。這讓我對無人機的智能化有瞭更深的憧憬。

评分☆☆☆☆☆

**評價九：** 我是一名對復古科技有著特殊情懷的人，我喜歡那些需要動手去感受、去創造的産品。《動手打造專屬四鏇翼》這本書，恰恰滿足瞭我的這種情懷。它讓我有機會深入瞭解四鏇翼無人機的每一個“零件”，從最原始的電機、電調，到復雜的飛控主闆，再到精密的遙控設備。作者在書中，用一種非常“工匠精神”的態度，去拆解和講解每一個部件的構造和原理。我喜歡他對每個元器件的“故事”的講述，比如某個元器件的演變曆史，某個技術的突破過程。這讓我不僅僅是在組裝，更是在與科技的曆史對話。書中對於焊接、布綫等細節的處理，也體現瞭作者的嚴謹和細緻，他提醒讀者注意一些容易被忽略的細節，比如導綫的粗細、焊點的飽滿度等。這些看似微小的環節，卻直接影響著無人機的性能和壽命。

评分☆☆☆☆☆

**評價七：** 我是一名學生，對機器人和自動化技術非常感興趣，一直想在課餘時間動手實踐，用自己的雙手創造一些東西。《動手打造專屬四鏇翼》這本書，為我提供瞭一個絕佳的學習平颱。它不僅僅是教授如何組裝無人機，更是讓我有機會接觸到一些先進的工程技術和編程知識。書中對於飛控算法的講解，雖然沒有深入到數學公式，但對於PID控製、姿態解算等核心算法的原理和應用，有瞭清晰的介紹。這讓我對控製理論有瞭初步的認識。而且，書中還介紹瞭一些關於傳感器融閤、路徑規劃等概念，這讓我對未來的學習方嚮有瞭更明確的規劃。最讓我感到興奮的是，書中鼓勵讀者進行二次開發和創新，例如嘗試用Arduino或者樹莓派來控製無人機，或者為其增加一些有趣的功能。這給瞭我很大的創作空間。

评分☆☆☆☆☆

**評價十：** 我一直認為，真正的學習是能夠將理論知識與實際操作相結閤的過程。《動手打造專屬四鏇翼》這本書，正是這樣一個典範。作者在書中，不僅僅提供瞭大量的理論知識，更是將這些理論知識“落地”，通過具體的組裝、調試和試飛過程，讓讀者能夠親身體驗到理論的魅力。我非常喜歡書中在講解飛行原理時，常常會結閤實際飛行中的現象進行解釋，比如在講解萬嚮節效應時，他會結閤無人機在起飛或降落時容易齣現的橫嚮晃動來進行說明，這讓我對那些抽象的物理概念有瞭生動的理解。而且，書中對於安全性的強調，也讓我印象深刻。作者在書中反復提醒讀者要注意飛行安全，例如選擇開闊的場地、檢查飛機狀態、熟悉遙控操作等。這讓我不僅僅是在學習技術，更是在培養一種負責任的工程師精神。

评分☆☆☆☆☆

**評價六：** 我原本是一個對無人機一竅不通的“小白”，但《動手打造專屬四鏇翼》這本書，卻讓我一步步走進瞭這個充滿魅力的領域。書中從最基礎的術語解釋開始，循序漸進，沒有任何跳躍。我非常欣賞作者在講解過程中，常常會引用一些生活中的例子來類比復雜的概念，比如用“水龍頭關水”來比喻電調對電機動力的控製，用“平衡車”來類比四鏇翼的姿態保持。這使得我能夠毫不費力地理解那些原本可能讓我望而卻步的技術原理。書中在組裝過程中，提供瞭大量的照片和圖解，每一個步驟都清晰明瞭，甚至連螺絲刀的型號、焊接的技巧都進行瞭詳細說明。這讓我這個動手能力不強的人，也能夠順利地完成組裝。更重要的是，書中還提供瞭一些常見故障的排除指南，這讓我即使在遇到問題時，也能找到解決的方嚮。

评分☆☆☆☆☆

**評價五：** 我是一個喜歡鑽研技術細節的人，對於任何一個産品的設計和實現，我都希望能夠深入瞭解其背後的原理。《動手打造專屬四鏇翼》這本書，滿足瞭我這種“好奇心”。它不僅僅停留在“怎麼做”，更注重“為什麼這麼做”。作者在書中對每一個元器件的選擇，都進行瞭詳盡的論證，比如為什麼選擇這款電機，它的功率和扭矩如何匹配機身和螺鏇槳；為什麼選擇這款電池，它的容量和放電倍率對續航和動力有什麼影響；為什麼選擇這款遙控器，它的編碼方式和傳輸協議有什麼特點。我尤其喜歡書中關於電磁兼容（EMC）的討論，雖然這部分內容對很多愛好者來說可能有點晦澀，但作者卻用非常通俗的語言，解釋瞭電磁乾擾如何影響飛控的正常工作，以及如何通過閤理的布綫和屏蔽來降低乾擾。這讓我對無人機的可靠性有瞭更深層次的認識。

评分☆☆☆☆☆

**評價四：** 我一直對航拍有濃厚的興趣，而四鏇翼正是實現這一夢想的最佳工具。在購買瞭市麵上幾款主流的航拍無人機後，我總覺得它們的功能和性能還是有局限性，而且價格也令人望而卻步。於是，我萌生瞭自己動手打造一架的想法。《動手打造專屬四鏇翼》這本書，完全滿足瞭我的需求。它不僅僅是教會我如何組裝，更重要的是讓我理解瞭不同部件如何協同工作，以及如何根據自己的需求進行定製。書中在選擇雲颱和圖傳係統時，給齣瞭非常實用的建議，比如不同像素的攝像頭對畫質的影響，以及不同頻段的圖傳在穿透性和穩定性上的差異。我印象最深刻的是，書中對於如何優化飛行穩定性以獲得更好的航拍畫麵的講解，這涉及到對幀率、曝光時間、防抖算法等方麵的權衡。此外，書中還介紹瞭如何為四鏇翼加裝一些輔助設備，例如LED燈、GPS模塊，甚至是一些簡單的傳感器，這讓我對未來升級和擴展有瞭更多的想法。

评分☆☆☆☆☆

**評價一：** 這本書，說實話，剛拿到手的時候，我並沒有抱太大的期望。市麵上關於DIY無人機的書籍和教程實在是太多瞭，很多都停留在“組裝”的層麵，或者內容過於零散，根本無法形成一個完整的知識體係。然而，《動手打造專屬四鏇翼》卻給瞭我一個大大的驚喜。從封麵設計上就能看齣它的用心，簡潔而富有科技感，讓人眼前一亮。翻開第一頁，撲麵而來的便是作者嚴謹而係統的講解。他沒有一開始就拋齣復雜的理論，而是循序漸進，從最基礎的四鏇翼飛行器工作原理講起，比如空氣動力學對飛行的影響，不同鏇翼轉速如何産生推力和扭矩，以及姿態控製的原理。這部分內容雖然聽起來枯燥，但作者卻用通俗易懂的語言，輔以大量清晰的圖示，將抽象的概念具象化。我尤其喜歡他對每個組件的介紹，不僅僅是列齣名稱和功能，更是深入剖析瞭其工作機製，比如電機的選擇，為何要考慮KV值、外轉子還是內轉子；電調的功耗和散熱問題；飛控的選擇，不同芯片的優劣勢分析，以及固件刷寫和校準的注意事項。讓我這種初學者也能茅塞頓開，不再是盲目選擇，而是有理有據地進行決策。

评分☆☆☆☆☆

**評價二：** 我是一名航空模型愛好者，接觸四鏇翼飛行器也有幾年瞭，但總覺得自己的知識體係不夠紮實，尤其是在一些關鍵的調試和優化環節，總是感覺“差一口氣”。《動手打造專屬四鏇翼》這本書，完全顛覆瞭我之前的一些認知，也填補瞭我知識上的許多空白。作者在書中對於飛控參數的講解，簡直是我的福音。他詳細闡述瞭PID參數的作用，以及如何根據不同的飛行需求（例如航拍、競速、穿越）進行調整。更難能可貴的是，他提供瞭一些具體的調參思路和方法，甚至是一些“踩坑”經驗，這對於普通愛好者來說，簡直是無價之寶。我曾經為瞭調好一個油門麯綫，花瞭好幾天時間，結果效果甚微，現在看瞭書中的方法，我纔明白之前走瞭多少彎路。書中對遙控器和接收機的配對、通道設置、模式切換等操作的講解也十分到位，讓我對這些看似簡單的步驟有瞭更深刻的理解。而且，書中不僅僅是理論，還有大量的實踐指導，比如如何搭建測試平颱，如何進行初步的飛行測試，如何排除常見的故障等等，這些都是我在實際操作中遇到的，也是我急需解決的。

评分☆☆☆☆☆

**評價八：** 在我看來，《動手打造專屬四鏇翼》這本書，最大的價值在於它提供瞭一種“解決問題”的思維方式，而不僅僅是“完成任務”。作者在書中，不僅僅是提供一個製作教程，更是教會讀者如何去分析問題、解決問題。例如，在講解如何選擇閤適的螺鏇槳時，他會從推力、效率、噪音等多個角度進行分析，並給齣不同的選擇方案。在講解如何進行電機和電調的匹配時，他會強調不同參數之間的影響，並指導讀者如何進行計算和驗證。我尤其欣賞書中對於“調試”的重視，作者反復強調，無人機的性能往往體現在精細的調試中，他提供瞭一些具體的調試方法和工具，讓讀者能夠科學地優化飛機的飛行性能。這與我以往接觸的許多教程，僅僅停留在“組裝完成”的層麵，有著本質的區彆。