多旋翼无人机(Multirotor Unmanned Aircraft,MUA)也称多轴飞行器(Multirotor),是一种具有3个及以上旋翼轴的垂直起降无人机，其飞行升力主要由3个及以上动力驱动的旋翼产生，并通过改变旋翼转速获得推进力，实现对其运动姿态和轨迹的控制。严格地说，多旋翼无人机是无人直升机的一种特殊形式，它和其他类型无人机一样，具备“机上无人、人在系统”的显著特点。因此，多旋翼无人机驾驶员与多旋翼无人机之间既是一个完整的“人—机”系统，也是一种典型的闭环控制回路系统。多旋翼无人机通常采用中心对称或轴对称结构，多个旋翼沿机架的周向分布于边缘，其中多轴的“轴”指的是电机的旋转轴，多旋翼的“旋翼”指的是旋转的螺旋桨。一般情况下，多旋翼均选用定距螺旋桨(特例除外），电机直接驱动螺旋桨旋转且转速可变。由于螺旋桨无须变距，使得多旋翼相对传统直升机而言，少了一个非常复杂的组成部分———自动倾斜器，因而其结构及操纵性都得以大大简化，并由此在行业应用和消费娱乐等领域占据了民用无人机行业的半壁江山。图1.1为正在执行电力巡线作业任务的多旋翼无人机。

多旋翼无人机要想真正完成一项特定的任务，光有能在天空中自由飞行的旋翼机是永远不够的。除了需要旋翼机及其携带的任务设备外，还需要有地面控制设备、数据通信设备、维护设备，以及指挥控制及其必要的操作与维护人员等。因此，多旋翼无人机更应该被称为多旋翼无人机系统，它是一个高度智能化的闭环反馈控制系统。这一概念已得到航空业界、学术界和工程界的广泛认可。

(1)飞行平台

飞行平台提供多旋翼无人机的基本框架，包括机架、脚架和云台支撑结构等，如图1.3所示。飞行平台多选用材质轻和强度高的材料，一般可成套采购。主要功能如下所述:

①为电机、电调、飞控等设备提供安装接口;

②平台自身稳定坚固，电机在转动过程中不易损坏其他设备;

③脚架为缓冲装置，保障起飞和降落安全;

④保证足够低的自重，为控制和任务设备提供更多的载荷余量;

⑤提供相应的防护装置，保障飞行器本身和操作人员的安全，减少不必要的损失。

(2)动力系统

动力系统的主要功能是为多旋翼无人机飞行提供动力，分为油动和电动两种方式。油动主要应用于中、大型多旋翼无人机系统，小型民用多旋翼无人机系统则通常采用电动动力系统，其组成包括电池、电调、电机、螺旋桨等

①电池：为所有设备提供能源，目前多旋翼无人机大多采用聚合物锂电池，部分使用18650电池。

②电调：全称为电子调速器(Electronic Speed Controller, ESC),功能是根据飞控提供的控制信号，将电池的直流输入转变为一定频率的交流输出，驱动无刷电机运行，控制并调节电机转速。

③电机和螺旋桨：电机负责将电能转化为机械能，驱动螺旋桨旋转，获得多旋翼飞行所必需的空气动力。

(3)导航与控制系统

无人机系统指挥控制中心，用来保障多旋翼无人机稳定地沿要求航线飞行，以便到达预定的任务区域；同时，无人机上传输过来的图像、飞行状态参数及遥测数据等在此进行处理与显示。无人机系统指挥控制中心分为导航子系统和控制子系统两部分，控制子系统又分为机载飞行控制系统和地面控制系统。

1)导航子系统

导航子系统被称为无人机的“眼睛”，向无人机提供参考坐标系的位置、速度和飞行姿态，引导无人机按照指定航线飞行，相当于有人机中的领航员。目前，民用多旋翼的机载导航系统主要采用“GPS+磁罗盘”或“GPS+惯导”等方式。 GPS用来测量多旋翼当前的经纬度、高度、航迹和地速等信息，磁罗盘用来测量飞机当前的航向。

2)机载飞行控制系统机

载飞行控制系统简称飞控或自动驾驶仪，是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统，相当于有人机系统中的驾驶员。其主要组成部分包括主控单元、IMU(惯性测量单元）、气压计和超声波测量模块、LED指示灯模块、PMU(电源管理）模块、IOSD数据记忆模块和各种接口等。

主控是整个机载飞行控制系统的核心，它将IMU、GPS指南针、舵机和遥控接收机等设备接入飞行控制系统，并通过高效的控制算法，精准地感应并计算出飞行器的飞行姿态等数据，实现飞行器的精准定位悬停和自主平稳飞行，进而实现其他所有功能。

3)地面控制系统地面控制系统也称地面站(UAV Ground Control Station,GCS)或任务规划与控制站。最通俗的理解是将有人机的驾驶舱搬到地面。所以，地面控制系统是整个无人机系统的控制中心。典型地面站软件主要功能包括:

①利用地面站软件预先规划好飞行航迹，并对航程点属性进行设置;

②通过鼠标、键盘、按钮和操控手柄等外设以及地面站软件等，与多旋翼无人机进行交互，对飞行过程中飞行状况进行实时监控和修改任务设置以干预其飞行;

③遥测数据及图传信息实时显示;

④任务完成后还可以对任务的执行记录进行回放分析。

(4)数据链路数据链

可理解为放风筝的“线”。它在无人机系统中承担的任务包括遥控、遥测、测距、测角和信息传输。

(1)上行链路与下行链路

①上行链路：用于实现对无人机的遥控，即由地面站对飞行器及机载设备进行指令控制，也称指挥链路;

②下行链路：用于执行遥测数据及图像信息传输功能，即由地面站接收描述无人机状态信息的遥测参数(距离、方向、姿态角等）和任务传感器信息(侦察图像等)。

(2)分离测控链路出于节约成本的考虑，目前小型民用多旋翼无人机系统大多使用单一功能链路，即所谓的分离测控体制，其基本通信链路包括以下3条:

①RC(Radio Control)遥控器和机上遥控接收机构成的上行单向链路，多用于视距内控制飞机。无线电频段采用72 MHz、433 MHz、2.4 GHz,主流2.4 GHz。进入网络化时代后，遥控器会慢慢被平板、手机等控制单元所取代。

②数传链路，由便携式工控机或笔记本电脑连接的数传地面模块和飞机上的机载数传模块构成双向链路，多用于超视距飞行。无线电频段采用900 MHz或2.4 GHz,常见的以900 MHz频段居多，传输速率在300~ 19 200 bit/ s,发射功率在几瓦到数十瓦之间。数传电台通常借助无线电和DSP技术，采用数字信号处理(调制解调）方式，具备前向纠错等功能。其一端接入计算机(地面站软件），另一端接入多旋翼无人机自驾仪，采用一定通信协议，保持自驾仪与地面站的双向通信。

③图传链路，即飞机向地面站发送图像的下行单向链路，用于监控摄像头的方向和效果。无线电频段采用1.2 GHz、2.4 GHz、5.8 GHz,主流是2.4 GHz和5.8 GHz,中高端的价格比较贵，低端的有效距离短，画面延迟严重。

（5）飞行机组

多旋翼无人机系统的各组成要素中，人是决定性因素。因为多旋翼无人机设计生产和作业飞行所需要的资金、设备、原材料、维修保障的技术手段等，都是靠人去掌握、组织和运用的。要提高多旋翼无人机的飞行性能和使用效率，必须通过人的努力来实现。特别是大中型多旋翼无人机系统，在实际飞行过程中，为保障能顺利完成作业任务，需要配备相应的飞行机组，其基本成员包括:

(1)驾驶员对无人机系统的运行负有必不可少的职责并在飞行期间适时操纵无人机的人。要求经过正规培训且取得飞行执照或合格证等相关资质，由运营人任命指派执行任务。

(2)机长由运营人指派、全面负责整个无人机系统任务飞行和安全保障的驾驶员，要求经过正规培训且取得相应执照或合格证资质。机长直接负责无人机系统的运行，飞行中遇到紧急情况时，有权采取适当的应急措施。

(3)观测员通过目视观测无人机系统的飞行状况，协助驾驶员安全飞行，由运营人指定训练有素的人员担任。

(4)运营人从事或拟从事无人机系统运营的个人、组织或企业。

“如今，城市与乡村，都在因无人机的出现而发生改变，如若生活在农村地区，你会惊叹于无人机在提升偏远地区的运输能力以及提高农业生产效率上的杰出表现;如果作为城市中的一员，你也会惊喜的看到无人机在解决龟速物流以及城市规划建设管理中非同凡响的作用，更多的应用，在这个技术吞噬世界的时代，无人机正在像空气无孔不入地渗入到人们的日常生活中，如无人机航拍，工业巡检、无人机编队表演，无人机农业植保，在人潮拥挤的大城市，以及另一端的乡村。”