1.2　无人机系统

由无人机、地面站与其附属设备所组成的系统称为无人机系统（Unmanned Aircraft System，UAS）。典型的无人机系统包括机体平台、航电系统、地面站系统、保障系统、通信系统、发射和回收系统、载荷系统等。如果说无人机（UAV）是冷冰冰的飞行机器，那么无人机系统（UAS）就是将这个飞行器注入了灵魂，具备了执行具体飞行任务的功能。

但是对于大疆无人机这样的微型或轻型无人机来说，这样的系统组成划分过于复杂。根据本书所要介绍的大疆无人机，本节将无人机系统分为无人机平台、飞行控制器、通信链路系统、动力系统、云台、相机等。上述无人机系统组成的划分和介绍可能不适合其他类型的民用无人机，但对于微型或轻型无人机来说大同小异。

1.2.1　无人机平台

无人机平台，即无人机机体的骨架。不同类型的无人机的无人机平台不同，包括四旋翼无人机平台、六旋翼无人机平台、无人直升机平台、固定翼无人机平台等。无人机平台必须具有足够的刚性和弹性，以便于适合于气流多变的环境。符合空气动力学的无人机平台不仅对无人机保持飞行姿态具有重要作用，而且也可以在飞行中争取更长的滞空时间。

固定翼无人机平台的机身和翼展较长，因此通常需要一定弹性的材料，如EPO泡沫材料、玻璃钢材料等，以防止无人机在空中出现结构性损伤或解体。固定翼无人机的飞行姿态与续航时间与其重心配置存在很大的关系，因此在每次起飞前均需要配重和配平。

无人直升机负载一般较重，平台一般较大，且常以金属材料为刚性骨架，以玻璃钢或塑料等材质作为非结构性部件和蒙皮的材料。

多旋翼无人机平台的4个旋翼在固定的位置协同配合用来提供机动能力，因此多旋翼无人机需要刚性的机体，通常采用工程塑料、碳纤维、轻木、金属等材质。多旋翼无人机的载荷通常是固定的，这是因为切换载荷时需要调整飞行控制器参数，如调整配重和调整PID等参数。

不同的无人机平台具有不同类型的起飞和降落方式。对于无人直升机和多旋翼无人机来说，可进行垂直起降（Vertical Take-Off and Landing，VTOL），因此其起落架以脚架的方式，将无人机从地面撑起即可。对于固定翼无人机来说，其起降方式就要复杂很多，其起飞方式包括滑行起飞、弹射起飞、手抛起飞、空中投放等；其降落方式包括撞网回收、伞降回收、擦地回收等。不同的起降方式所使用的起降设备不同，也会影响到其平台的设计。

1.2.2　飞行控制器

飞行控制器（简称飞控），即无人机的“大脑”，不仅具有对无人机的姿态和载荷进行管理与控制的功能，通常还需要具备避障、执行任务等能力。常见的飞行控制器包括大疆的NAZA、零度智控的北极星自驾仪，以及开源的APM、Pixhawk等。飞行控制器是无人机各个部件的中心，连接着遥控系统、动力系统、云台系统等各个部分。飞行控制器的核心是主控处理器（MCU），其最为基本的功能包括稳定飞行姿态和执行飞行指令。

（1）稳定飞行姿态。在没有任何飞行任务时，MCU的作用就是控制和维持飞机的平衡，保证无人机处于可控的状态。由于无人机所处的环境非常复杂，如多变的气流、随时出现的障碍物等，需要及时获取其姿态、定位、环境等信息，其实时性远高于一般类型的数据处理。因此，MCU通常采用实时操作系统（RTOS），如Pixhawk飞行控制器就采用了Nuttx实时操作系统。

（2）执行飞行指令。飞行控制器需要根据飞行规划，以及遥控系统和避障模块等发来的指令，实时将其转换为电机转速改变、舵机角度改变等控制指令，从而实时改变无人机的飞行状态和负载设备的状态。

广义的飞行控制器除了MCU本身，还包括全球导航卫星系统（GNSS）传感器等用于感知方向、方位和周围环境的各种传感器，通常包括惯性测量单元（IMU）、GPS传感器、避障传感器、空速传感器等。

1. 惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）

惯性测量单元是用于抵抗气流影响，用于维持机身稳定和平衡的传感器系列，包括加速度传感器、陀螺仪传感器、磁场传感器、气压传感器等。

（1）加速度传感器。加速度传感器用于获取无人机在立体空间中3个相互垂直方向的加速度。在静止情况下，这3个加速度的矢量和为重力G，因此其主要功能是让无人机在悬停的状态下保持稳定姿态。加速度传感器在长时间内的测量值更为准确，而在瞬时的测量值存在较大的噪声干扰。

（2）陀螺仪传感器。陀螺仪传感器用于测量运动状态下的无人机在立体空间中3个相互垂直方向的角速度。陀螺仪传感器在运动过程中趋于稳定，在悬停状态下会出现线性漂移，因此在较短时间内其测量值准确，但在较长时间中存在漂移误差。

加速度传感器和陀螺仪传感器通常配合使用，组成了狭义上的惯性测量单元（IMU），是保证无人机在水平方向稳定性的基本要素。

（3）磁场传感器。磁场传感器用于感知周围磁场的方向，从而判断无人机所处的航向和方位。

（4）气压传感器：气压传感器通过测量无人机周围的气压，从而估算无人机所处的高度，保持无人机在垂直方向上的稳定性。理想状态下，一个地区的气压随着高度的上升而线性降低。由于在近地面无人机常常受到气流、湿度和粉尘颗粒的影响，气压传感器的测量值存在一定的噪声误差，从而可能会造成高度的判断失误。但是，在高空中，气压传感器的测量精度较为稳定。

上述4个传感器可随时从环境中提取10个变量（也被称为10DOF，即10 Degrees Of Freedom），包括3个方向上的加速度、角速度和磁场强度，以及一个气压值。飞行控制器通过对这10个变量进行滤波分析和处理，并针对性地对多个旋翼的转速发出实时指令，从而让无人机悬停在空中。将大疆无人机飞行模式切换为“姿态模式”时，无人机就会仅依靠上述传感器进行悬停和运动（具有视觉定位的无人机除外）。在无人机没有GPS信号（如在室内飞行、桥下飞行）时，这些传感器就是这些大疆无人机准确定位的全部依靠。虽然依靠IMU可稳定无人机的姿态，但是仅依靠IMU悬停存在一个最大的缺陷——随风漂移，即无人机会以周围的空气作为参考系水平随风移动，因此在有风的天气下处于“姿态模式”下的无人机不能够准确定位悬停。

由于IMU在处理这些变量时需要迅速地让各旋翼做出响应，其中需要用到一个很重要的算法—PID算法。PID算法是比例（Proportional）、积分（Integral）和微分（Differential）三个单词的缩写，即通过这3个参数对螺旋桨的转速进行连续控制，从而在无人机受到干扰后而保持平衡（或者改变运动状态）。PID参数与无人机的惯性密切相关，对于无人机的配重非常敏感，建议每次改变无人机配重后应当校准这些参数。

2. GPS传感器

全球导航卫星系统（GNSS）传感器通过接收和处理至少4颗导航卫星的信号对设备进行空间定位。全球有4大全球导航卫星系统，包括美国全球定位系统（GPS）、中国北斗卫星导航系统（BeiDou或BDS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、欧洲伽利略卫星导航系统（GSNS，Galileo）。这些导航卫星的原理相同且协议相似，可在地球周围组成卫星“星系”提供全球定位服务。传统的GNSS传感器仅支持GPS卫星，即GPS传感器。在大疆无人机中，几乎所有的无人机定位传感器均为GPS/GLONASS双模传感器，而在定位要求较高的无人机（如精灵4 RTK版、T20植保无人机）中会使用到北斗和Galileo卫星信号。

通过GNSS传感器可获得无人机的具体地理位置（包括经度、纬度、高程）、运动速度和当前时钟。有了GNSS传感器，无人机即清楚了自身位置，并可记录其运动轨迹。因此，GNSS传感器几乎成为民用无人机的标配，为无人机提供了稳定定点悬停、自动返航、航点飞行等能力。

由于GPS信号在通过大气层、电离层时其传播时间存在一定的偏差，且美国对民用GPS卫星信号加入了伪随机噪声码，从而降低了其定位精度，GPS的测量误差一般超过1m以上。对于航测、植保等应用领域，这样的误差可能无法接受，此时可以利用载波相位差分技术（RTK）对GPS信号进行校正后即可使无人机获得厘米级的定位精度。

为了追求高稳定性和高可靠性，有些无人机安装了多个IMU和多个GNSS传感器，如大疆经纬M600 Pro无人机配备了3套IMU和GNSS模块。当其中任何两套IMU或GNSS模块失效后，无人机仍可以正常工作，非常适合在环境恶劣的条件下工作。

3. 避障传感器

避障传感器包括视觉避障、超声波避障、红外线避障和激光避障等。其中视觉避障也可以用于视觉定位，称为视觉定位系统。

（1）视觉避障（视觉定位系统）。视觉定位系统通过摄像头采集的图像与视频信息，分析周围环境，从而判断无人机所处的位置，包括单目视觉定位（一个摄像头）和双目视觉定位（两个摄像头）两种。单目视觉定位和双目视觉定位的原理与定位精度相差很大，前者采用光流（Optical Flow）算法进行定位，而后者利用两个摄像头之间的视差，通过同名点搜索与三角测量相结合的方法构建点云场景进行定位。通常无人机在距离周围物理较远的情况下，双目视觉能够更为精确地定位。

除用于避障以外，视觉定位系统也常常应用于精准降落。在无人机起飞时记录下起飞位置的视觉特征，从而在自动返航和自动降落时根据这些视觉特征找到起飞位置并准确降落。值得注意的是，视觉定位系统需要光线条件良好且物体表面具有丰富纹理时才可使用，因此市面上的无人机停机坪都采用颜色鲜艳且纹理突出的图案。

（2）超声波避障。超声波避障是通过超声波测距的方式获取无人机距离最近物体的距离，从而避免无人机碰撞。与蝙蝠的听觉定位类似，超声波测距是通过接收反射的超声波与发出超声波之间的时间差，从而判断物体距离。超声波避障系统的优点是价格便宜，但是难以在吸音表面（如地毯）和倾斜表面进行测距。由于无人机四周可能存在倾斜度较大的坡度，超声波定位更加适合在无人机的下方进行避障。超声波避障经常和双目视觉定位组合进行避障，如大疆悟2、精灵3专业版等。

（3）红外线避障。红外线避障通过红外发射器发射红外线，通过感应器接收反射的红外线，通过三角测量的方式计算与前方物体的距离实现避障。在大疆御2的上方和下方，以及精灵4 Pro v2.0无人机的左右两侧均搭载了红外线避障模块。在大疆晓（Spark）上将红外线避障和深度镜头相结合，构成了3D传感系统，可用于无人机的手势控制等用途。

（4）激光避障。激光避障通过计算发射与返回的时间差，或者通过三角测量的方式对物体的距离进行判别。激光避障系统的体积较大且价格昂贵，目前很少有无人机搭载激光避障系统，多用于汽车自动驾驶等领域。

无人机避障传感器通常需要配合使用共同构成避障系统，如大疆的Flight Autonomy 2.0系统（如精灵4 Pro、御Pro等无人机）包含了视觉避障、红外线避障等多种传感器，在多个方向上提供物体识别与避障能力。在御2无人机上，在前方、后向、下方提供了双目视觉避障，在左侧和右侧提供了单目视觉避障，在上方和下方提供了红外线避障功能，提供了全方位的避障能力。但是，任何避障系统都存在测量误差，并存在测量错误的风险。飞手不能绝对依赖这些避障功能，应当在时刻握紧遥控器保证飞行安全的情况下，将这些避障功能视为最后的保险工具。

几种常见的无人机避障传感器的原理与适用范围如表1-2所示。

虽然避障传感器不是无人机所必须配备的，如精灵3标准版不配备任何避障传感器，但是在无人机失控和自动返航等情况下，避障传感器可大大降低无人机的事故率，保障飞行安全。

4. 空速传感器

空速是指无人机相对于周围空气的相对速度。对于固定翼无人机而言，空速是保持无人机升力、防止失速的重要变量。因此，空速传感器几乎是固定翼无人机的标配。空速传感器也称为空速管或皮托管（Pitot Tube），是利用流体压强和流速的关系原理，通过两个管道分别测量总压和静压，从而估算无人机相对空气速度的装置。

多旋翼无人机的原理与固定翼无人机不同，由于螺旋桨的高速运动导致气流紊乱，难以通过空速传感器测量出精确的空速，没有必要安装空速管，但实际空速可直接由IMU和GNSS传感器估算得出。

1.2.3　通信链路系统

通信链路系统是无人机与地面设备之间信息传递与控制信号传输的桥梁，包括控制链路、数传链路和图传链路等。通信链路系统通常采用无线电信号传输信息。受到相应的法律法规限制，以及国际惯例，通信链路信号的频率通常为中心频率为433.92MHz（433.05～434.79MHz）、2.450GHz（2.400～2.500GHz）、5.800GHz（5.725～5.875GHz）等频段。这些频段也属于国际通信联盟无线电通信局（ISM）定义的在一定发射功率内无须授权的无线电频段，也称为ISM频段。

为了避免控制链路、数传链路和图传链路之间相互干扰，传统无人机会将这些链路以不同的频段区分开来。例如，大疆精灵3标准版遥控链路采用5.8GHz频段，图传与数传链路采用2.4GHz频段。另外，数传链路无线电发射功率等多种指标也受到政策与法律法规的限制，无人机的通信链路所涉及的全球主要的强制性认证机构包括FCC、CE和SRRC等。

• FCC：美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission）对美国各种市场流通的民用无线电射频传输设备的强制性认证，以保证与生命财产有关的无线电和有线通信产品的安全性。

• SRRC：中国国家无线电管理委员会（State Radio Regulatory Commission）对在中国境内所有销售和使用的无线电组件产品进行的一种强制性安全认证。

• CE：欧洲合格认证（Conformite Europeenne）是对欧洲经济区（EEA）所有流通商品所规定的强制性的基本安全要求，包括电磁兼容指令（EMC）、无线指令（RED）、

环保指令（RoHS）等。

通常来说，FCC认证标准下的无人机有效通信的距离大于SRRC认证标准，SRRC认证标准有效通信的距离大于CE认证标准。例如，精灵4 Pro的最大信号有效距离在FCC、SRRC和CE标准下分别大约为7km、4km和3.5km。

1. 控制链路

遥控系统是地面人员对无人机发送各种指令的直接工具。对于轻型民用无人机而言，遥控系统通常由遥控器和在机体上的接收器两部分组成，是执行飞行任务、保证飞行安全中最为重要的一部分。遥控器和接收器之间采用控制链路传输指令。

对无人机执行每一种动作，以及云台、相机等各种载荷的操作，都属于不同类型的操作指令。这些不同的指令需要不同的遥控器控件进行操作，在控制链路中对应了不同的控制通道，而控制通道所对应的物理控件称为物理通道。一般来说，实现对无人机的基本飞行进行控制至少需要3个控制通道，称为必要通道。一般的无人机遥控器上都存在两个控制摇杆，其中每个摇杆包含了2个通道，共4个通道。对于多旋翼无人机而言，这4个通道分别为升降、偏航（左右转弯）、前后飞行和左右飞行；对于固定翼无人机而言，这4个通道分别为油门、俯仰、偏航和横滚。

根据各种通道在控制摇杆上的设置不同，可将摇杆模式分为美国手、日本手、中国手等类型。对于多旋翼无人机来说：美国手摇杆模式中，左摇杆控制升降和偏航，右摇杆控制前后和左右飞行；日本手摇杆模式中，左摇杆控制前后飞行和偏航，右摇杆控制升降和左右飞行；中国手摇杆模式中，左摇杆控制前后和左右飞行，右摇杆控制升降和偏航。

除无人机的基本飞行需要控制通道以外，还需要额外的通道用于控制云台和相机，以及切换飞行模式等，因此绝大多数的无人机遥控器均支持10个以上的控制通道。

2. 数传链路

数传链路用于实时获取无人机的状态信息（如高度、速度等），以及具有上传飞行任务、下载无人机拍摄的照片和录像等功能。在传统的民用无人机中，数传链路往往通过额外的设备进行传输。例如，传统的APM、Pixhawk飞控可通过单独的数传模块构建链路，大疆Data Link Pro通过430～448MHz频段或869～927Mhz频段（因不同国家和地区而不同）传输数据。然而，大疆无人机通常将数传链路与控制链路（以及图传链路）进行组合，共同使用同一个频段。例如，Data Link 3数传电台整合了遥控器，共同使用2.4GHz频段传输信息。大疆Lightbridge技术将遥控、数传和图传链路均整合到了2.4GHz频段（也可占用5.8GHz频段）。

数传链路的数据传输终端通常为移动设备或者PC计算机。这些接收和发送数据链路信息的工具通常称为地面控制站（Ground Control Station，GCS）。在大疆无人机体系中，DJI GO、DJI GO 4、DJI Polit等应用程序本身实际上就是一个简易的地面站软件。当然，大疆还在iPad移动终端提供了用于航测或者3D建模的GS Pro软件，并在桌面端提供了“大疆智图”等地面站软件。

3. 图传链路

图传链路包括模拟信号图传和数字信号图传两种，其中Wi-Fi图传、Lightbridge图传系统和OcuSync图传系统均为数字图传。

1）模拟信号图传

顾名思义，模拟信号图传就是通过模拟信号传输视频和音频。由于模拟信号的调制和解调算法简单，而且图传的延迟非常小，因此常用在早期的民用无人机中。模拟信号图传在无人机和飞手之间的距离由近到远时，其图传信号一般不会突然消失，而是逐渐模糊直到出现完全的雪花屏。但是由于模拟信号所需要的功率很大，符合法律法规的模拟信号图传距离一般很近，且抗干扰能力差，所以逐渐被消费级无人机所淘汰。

2）数字信号图传

（1）Wi-Fi图传。

相对于模拟信号图传，Wi-Fi图传属于典型的数字信号图传。由于Wi-Fi设备的广泛普及，其Wi-Fi硬件价格低且技术成熟。Wi-Fi图传可以以较低的成本实现效果较好的数字信号图传。例如，大疆精灵3标准版、晓、御Air、御Mini等无人机均采用Wi-Fi图传。御Air在FCC认证标准下，其Wi-Fi图传的距离可达到4km。

但是，Wi-Fi图传的质量仍然比不上更高级的Lightbridge图传和OcuSync图传，这是因为Wi-Fi图传具有以下两个缺陷：一方面，当Wi-Fi数据包的传输受到一个字节的破坏时，该数据包将不可用，这使得Wi-Fi图传在信号条件较差时非常容易出现卡顿或者延迟现象；另一方面，由于Wi-Fi的连接需要进行握手，其数据传输方式是双向的，从而使得当无人机图传连接中断后，重连的时间很长。

大疆无人机的图传系统研发速度在业界遥遥领先，在符合FCC、CE等认证标准的情况下，不断提升图传系统的清晰度和响应速度，并将无人机图传系统从Wi-Fi图传发展为Lightbridge图传，然后再发展到如今的OcuSync图传。

（2）Lightbridge图传系统。

Lightbridge图传系统从悟（Inspire）第一代开始被搭载到大疆无人机上，使其图传距离在FCC认证标准下达到了2km以上的距离，并且可将控制链路和数传链路进行整合在同一个频段上。Lightbridge图传系统包括Lightbridge和Lightbridge 2两个版本。最早的Lightbridge只能使用2.4GHz频段，而Lightbridge 2通过无线链路自适应技术，可在2.4GHz和5.8GHz双频段传输数据，避免环境干扰，进一步降低了延迟和提高分辨率，并添加了3G-SDI输出接口，用于广播级的视频输出。另外，Lightbridge 2技术还支持多个设备同时构建图传与控制链路。

相对于Wi-Fi图传来说，Lightbridge图传系统采用单向广播的方式提供图传服务，无须双向握手，部分字节丢失不影响整体传输效率，并且加快了图传丢失后的重连速度。

（3）OcuSync图传系统。

OcuSync图传系统首先被应用在大疆御Pro无人机上，属于Lightbridge图传系统的升级版，并进行了大量的技术改进，如OcuSync图传系统的双向智能感知容错技术可随时避免受到干扰的信道，并调整视频码率和无线传输策略，降低图传响应时间，可节约30%左右的带宽。为了应对城市空间中存在的大量的电磁干扰和环境遮挡，OcuSync图传系统做出了针对性的优化。在大疆M300 RTK无人机上，OcuSync图传系统的最大图传距离达到了15km（FCC认证标准）。大疆在御2系列、御Air 2等最新发布的无人机上均使用了OcuSync 2.0图传系统。

5G图传链路，即通过5G网络传输图传信号，其优势在于无人机的遥控距离将不会受到限制（当5G网络普及时）。但是，由于受到基站分布的影响，5G图传链路的普及必须建立在高度发达的飞行控制器（及其安全配置）的基础上，以便于当无人机失控时无人机可自行执行任务或者自动进入存在5G信号的地带。即使是这样，由于5G图传仍然建立在以TCP/IP为基础的互联网，其图传的延迟可能依然逊色于LightBridge、OcuSync等这样的私有图传系统。

对于大疆无人机来说，其图传链路早已抛弃了模拟信号图传，其图传链路主要有3种。

• Wi-Fi图传：精灵3标准版、御Air、御Mini等。

• Lightbridge图传系统：精灵3专业版、精灵4等。

• OcuSync图传系统：御2、御Air 2等。

作为Lightbridge的升级版，大疆的最新产品基本均使用OcuSync图传系统。另外，大疆将Lightbridge图传系统作为单独的系统模块可供用户使用。

1.2.4　动力系统

无人机的动力系统包括电动、油动、太阳能动力等类型。民用无人机多以电池作为动力来源，通过无刷电机为无人机提供动力。这主要是因为相对于油动等类型的无人机来说，电池的安全性较高，且使用成本相对较低，并且无刷电机可快速响应指令，精准地控制转速，从而提高无人机的稳定性。

1. 无人机电池

聚合物锂电池（Li-polymer）的重量轻，能量密度高，且具有良好的安全性和稳定性，广泛用于各种民用无人机。聚合物锂电池通常包含以下几个参数。

（1）电芯组合方式与电压。一个聚合物锂电池通常采用多个电芯串联的方式组合，其电池电压即为电芯电压的倍数。例如，3个额定电压为3.7V的电芯串联即可组合为额定电压为11.1V的电池，这样的电芯组合方式称为“3S1P”，其中“3S”表示3个串联单位，“1P”表示每个单位一个电芯。常见的电芯组合方式多为“2S1P”、“3S1P”、“4S1P”、“6S1P”、“12S1P”等。大疆无人机中常见的电芯组合方式如表1-3所示。

（2）电池容量。电池容量是指电池内存储的电能大小，通常以毫安时（mAh）为单位，如2200mAh、4480mAh等。电池容量与其电压的乘积才表示电池具体蕴含的能量。例如，电池额定电压为15.2V的4480mAh的电池，其满电可释放的能量大约为68Wh。

（3）放电倍率（C）。放电倍率用于标称最大的放电电流，而不损害电池。例如，“40C 2200mAh”的电池的最大电流为两者的乘积，即88A。

（4）出线接口。无人机电池的常见接头包括T插头、XT60、XT90、XT150、AS150等。不同的出线接口所能承受的电流各不相同，应当充分考虑其电池的最大放电电流后做出正确选择。例如，XT60最大能承受的电流为45A，极限瞬时电流可以承受100A左右。

由于聚合物锂电池常常具有多个电芯，因此不可将电池所有的电芯直接串联充电，否则会造成电芯电压的不平衡。通常，电池的充电设备会对每个电芯单独充电，以防止某些电芯过充后电压过高而导致失火报废风险。

大疆无人机的电池被称为“智能飞行电池”，其优势在于其通过内部芯片和电路保持电池各电芯电压的平衡，在长期不使用电池时自动开始“自放电”以保证安全和延长电池寿命，并且通过自身的保护电路避免“过充”和“过放”风险。

2. 无刷电机、电子调速器和螺旋桨

利用无刷电机提供无人机动力的设备包括无刷电机、电子调速器（也称为电调，ESC）和螺旋桨。

（1）无刷电机。无刷电机，即不存在碳刷的电机，避免了有刷电机中碳刷产生火花对电磁波信号产生干扰。无刷电机具有干扰低、寿命长、噪声低等特点，其型号通常采用4位数字表示，用于声明其定子尺寸。例如，精灵3和精灵4的电机型号分别为“2312A”和“2312S”，且“2312S”的效率高于“2312A”，其定子尺寸均为“23mm×12mm”。无刷电机通常不标称功率，但是一般来说定子尺寸越大，其功率也就越大。另外，无刷电机还具有另外一个重要的参数—KV值。KV值是指1V电压下电机空转的转速。在同尺寸的无刷电机中，KV值通常与其绕线匝数相关，绕线匝数越多，其KV值越小，反之亦然。KV值越小的无刷电机可以提供更大的扭力，从而可安装更大尺寸的螺旋桨，但是可提供的最大转速会相应地降低。

（2）电子调速器。无刷电机需要PWM三相交流电驱动，而电子调速器就是将电池提供的直流电转换为交流电的装置。电子调速器通过改变换相频率调整电机转速，并可提供“刹车”功能。电子调速器的参数主要为可承受的最大持续电流，如“40A”的电子调速器可承受持续40A的电流，同时可承受更大的瞬时电流。

（3）螺旋桨。螺旋桨是指安装在无刷电机上，将电机的动力转换为对无人机拉力的气动装置，可分为柳叶形螺旋桨、马刀形螺旋桨等。在多旋翼无人机中，螺旋桨直接为无人机提供升力，其设计也直接影响了无人机的续航和噪声大小。

1.2.5　相机与云台

对于无人机来说，其载荷设备可以多种多样，如负载喷洒系统的大疆T20植保无人机、搭载“大喇叭”的“喊话”无人机、搭载探照灯侦察巡查无人机、搭载快递箱的“快递员”无人机等。但是，无论是针对哪种行业应用的无人机，都不可或缺地需要一个相机（或摄像头）观察周围环境。即使是不以拍摄为主要用途的无人机，通常也会搭载一个FPV（First Person View）摄像头，即第一人称视角摄像头。例如，大疆T20植保无人机、悟2就分别搭载了分辨率为1280×960、640×480的轻型FPV摄像头。FPV摄像头就像无人机的“眼睛”，如果无人机脱离了“眼睛”，一定会让飞手心慌慌，并且在紧急情况下可能无法做出正确的避障操作。

1. 相机（摄像头）

相机可分为胶片相机和数码相机，目前无人机所采用的相机基本均为数码相机，即通过成像原理通过感光元件记录光线的设备。常见的感光元件（感光传感器）包括CMOS和CCD两类。CMOS的全称为互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS），而CCD的全称为电荷耦合器（Chagre Couled Device，CCD）。两者的原理上都是将光子信号转为电信号，但是其结构和制造工艺存在众多差异，并且CMOS一般采用循环曝光，CCD一般采用全局曝光。通常，CCD在感光灵敏度、噪声控制要强于CMOS，但是CCD的成本相对较高，良品率低，且一旦出现坏点，会使得整个CCD元件报废。但是，随着CMOS的技术和工艺逐渐发展成熟，CMOS传感器的画质越来越强，并且具有低成本、低功耗、高能效等特征，在手机、无人机等领域上广泛运用。大疆消费级无人机多数采用CMOS传感器。

使用航拍相机时，应当特别注意快门、光圈、相对感光度、曝光、白平衡、对焦、变焦等各种参数的设置。

1）快门、光圈、相对感光度与曝光

照片的明暗程度基本由快门时间、光圈大小和相对感光度所决定，而曝光是快门时间和光圈大小的组合。相机的曝光量过大，使得亮的部分泛白，不能展现其细节和层次，称为曝光过度（过曝）。反之，相机的曝光量过小，使得暗的部分变为黑色，不能展现其细节和层次，称为曝光不足（欠曝）。

• 光圈大小（Aperture）：光圈大小，即为相机镜头进光孔的大小。在其他条件不变的情况下，光圈越大，照片的曝光量也越大，通常用f值表示光圈大小，如f/1、f/1.4、f/2等。另外，光圈大小也影响了景深，更大的光圈意味着更浅的景深。目前，绝大多数消费级大疆无人机的相机为固定光圈，但精灵4 Pro、御2等为可变光圈。

• 快门时间（Shutter）：快门时间，即为感光元件记录光电信号的时间，通常以秒为单位。在其他条件不变的情况下，快门时间越长，照片的曝光量越大。相机快门包括机械快门、电子快门和组合快门等类型。例如，大疆精灵3采用电子快门，而精灵4 Pro和精灵4高级版使用了机械快门。机械快门可以在一定程度上减少画面扭曲，避免拖影现象。

• 相对感光度（ISO）：改变ISO时可改变感光元件对光线的敏感程度。在其他条件不变的情况下，ISO越大，照片越亮，通常可分为低感光度（ISO在100与400之间）和高感光度（ISO在500以上）。事实上，ISO并不能改变照片的曝光量，而是通过调整感光元件的敏感程度而使得照片“显得更亮”，因此在ISO过高时其感光元件的测量误差就会非常明显，即出现照片“噪点”。在光线等条件允许的情况下，应当尽可能使用低ISO拍摄照片，这样可以拍摄出更加高质量的照片。

通常，无人机相机可以通过自动模式和手动模式调整相机的曝光量。如果使用自动模式调整曝光量，相机会根据用户选定的测光位置（测光模式）自动对环境进行测光，并自动设置拍摄照片时的光圈、快门和感光度等参数，尽可能避免过曝和欠曝的情况。在自动模式下，还可以通过调整曝光补偿（EV值）来调整照片的明亮程度。EV通常仅可设置为-2、-1、0、1、2等几个数值。当EV值为负值时，相机会减少曝光量；当EV值为正值时，相机会增加曝光量。

对于无人机而言，绝大多数的拍摄场景为户外，不适合也无法使用闪光灯，因此对于曝光量的控制对于航拍爱好者来说尤为重要。

2）白平衡

由于相机在拍摄时物体可能被不同颜色的光线所照射，所以使得被拍摄物体的颜色不是其原本的颜色。物体反射各种不同条件的光线所形成的颜色称为条件色。物体在白色光线照射下的表观颜色称为固有色。白平衡设置就是为了还原物体准确的固有色，或者对其进行色彩的艺术加工。白平衡一般通过色温进行设置。色温可以反映一个照片的“冷暖”。日光的色温在5600K左右。照片色温低于5500K时偏“冷”，高于5500K时偏“暖”。通过白平衡设置，可以将光源的色温按照实际环境设定为蜡烛光（1900K）、荧光灯（3000K）、闪光灯（3800K）、天空（12000～18000K）等，从而尽可能地还原物体的固有色。另外，相机可设置为自动白平衡（AWB）模式，通过构建多种环境色彩模型，尽可能地还原物体原本的色彩。

3）对焦与变焦

对焦是指通过电机改变镜头与感光元件的距离，从而让被拍摄的主体呈现清晰的影像。由于无人机拍摄的场景多为距离很远的事物，因此许多无人机（如大疆精灵3）直接将对焦点设置为无穷远。

变焦是指改变镜头焦距，一般是通过电机改变镜头内部镜片之间距离实现的。变焦的直接结果就是改变照片的视场角（Field of View，FOV），从而实现将被摄物体“拉近”或者“推远”。在大疆产品中，御2变焦版相机、H20T变焦相机均可实现变焦。

2. 云台

如果直接将相机硬连接到机身上，必然难以拍摄出令人满意的摄影作品：一方面，由于无人机在运动中的姿态会不断晃动，使得相机的拍摄中心也随之变化，使得相机难以在被摄物体前保持平衡；另一方面，由于无人机在空中高速运转，不可避免地会产生大量的振动，这些振动会使得相机出现“果冻效应”。云台，即为相机等载荷设备提供稳定平台，并可改变视角的装置。云台可分为舵机云台和无刷云台。其中，舵机云台多应用在固定翼无人机的FPV摄像头，一般难以维持设备稳定，多用于改变相机朝向。无刷云台利用多个可在不同轴向运动的无刷电机提供稳定设备的功能，并且通常具有独立的惯性控制单元（IMU）和主控芯片，用于保持载荷设备的稳定。

无刷云台分为2轴无刷云台和3轴无刷云台。2轴无刷云台一般提供在俯仰和横滚方向的稳定控制，3轴无刷云台提供俯仰、横滚和偏航3个方向上的稳定控制，因此3轴云台比2轴云台更加稳定，特别是在左右转动无人机时，3轴云台可在摄影时提供更加平滑的转动效果。在大疆无人机中，除晓（spark）无人机、inspire 2的FPV摄像头使用2轴无刷云台外，绝大多数的无人机均搭载3轴无刷云台。