首先，热烈庆贺祝融号火星车成功着陆火星！小编在其中也做了一点微不足道的小工作，此刻真的无法用言语形容自己的激动。只是可惜，写文章没能赶上祝融号的热点。

不过不着急！中国火星探测的事业还有很多工作需要做！截止5月中旬，NASA的火星直升机Ingenuity已经成功进行了五次火星表面试飞，成为了第一架在地球以外的星球大气层内进行动力飞行的飞行器（第一枚地球外的无动力大气层飞行器是1985年前苏联的Vega-1金星探测器）。客观地说，我们距离美国NASA的火星探测事业，还有一段距离需要追赶。

Ingenuity部署后进行试车

不如，就从现在开始，我们一起来学习一下——

如何制作一架在火星上飞行的直升机？

毅力号火星车携带的火星直升机

——Ingenuity（灵巧号）

一、 正儿八经的设计参考

直升机大家司空见惯了，即使没坐过，也肯定在电视、报刊、网络上见过各种各样的直升机。但是，火星的直升机可不一般了，它的工作情况与地球上大相径庭。

直升机是依靠空气动力学原理进行工作的。直升机的旋翼产生升力，克服万有引力，从而带动直升机飞行。在火星的表面，其万有引力大概只有地球的1/3，直升机需要克服的万有引力很小。但是火星表面的大气密度却只有地球海平面的1/100，太过稀薄！这又大大增加了火星直升机产生升力的难度。

根据NASA科学家的计算，Ingenuity直升机在火星表面附近飞行，难度大致等同于在地球的2万7千米高空飞行——这远远超过了目前地球上所有直升机的升限！

目前直升机的飞行高度记录是由法国的SA315B型直升机创造的，为12442米。

为此，Ingenuity的机身必须做的又轻又小，降低起飞重量；桨叶必须旋转得非常快，以提供充足的动力。

但与之矛盾的是，Ingenuity需要跟随毅力号火星车一起，跨越漫长的行星际空间，并承受着陆火星过程中的危险。因此，它同样需要很高的结构强度，和足够的防辐射能力。这么一来，结构重量和防辐射保护层的重量又上去了。

Ingenuity在毅力号火星车底盘上的安装位置。火星直升机并非安装在车顶上，而是安装在车底下的。

怎样的权衡才能更好地完成火星的首次飞行任务？其实工程师和科学家们都没有明确的答案。Ingenuity这次最重要的任务，就是验证到底如何在火星飞得又稳又好。

最终，Ingenuity的起飞质量/着陆质量是1.8kg，与笔记本电脑相仿。它携带了一块273克的电池，提供35-40瓦时的电力，也与轻薄笔记本相仿。其通过两幅1.2米直径的螺旋桨驱动，螺旋桨转速达到2400rpm（地球上的直升机一般转速约300rpm），最多飞行120秒。两幅螺旋桨通过共轴反桨的方式安装以抵消角动量，并通过周期变矩实现方向控制。

共轴反桨直升机其实是俄罗斯人的看家本领。这种直升机无需尾桨来抵消主旋翼的角动量，虽然机械复杂度提升了，但恰好可以节省空间，并提升升力。周期变矩技术则是目前主流直升机通行的方向控制方法，比较复杂，就不展开讲了。

为了能在火星上飞起来，Ingenuity还需要综合飞控、导航装置、姿态传感器、地形识别匹配装置、通讯装置等等。如果读者中有玩无人机或者穿越机朋友，那大概可以理解为：飞控、姿控、导航、图传、数传。

二、 不太靠谱的实现方式

好，现在我们已经知道Ingenuity需要什么了，抛开其8千万美元的造价和其上的各种高科技材料不谈，要想通过万能的华强北和万能的某宝复现这样一架无人机，其实还是可行的。我们结合美国NASA工程师的设计方案，来规划一个我们自己的实现方案——同样，靠不靠谱是另说的。

01 它的大脑

Ingenuity直升机首先采用了一颗高通骁龙801芯片作为其主控。也就是说，它的大脑和很多朋友手中的小米NOTE，小米4，一加1，OPPO Find7等等手机的CPU是一模一样的。也就是说，Ingenuity如果硬要玩一把吃鸡，也不是不可以，就是可能会有点卡，或者有些烫。

小米4。作为一款2014年的手机，其性能放到今天可能已经不够看了。但它和火星直升机有着同样的“芯”。

工程师们在这颗芯片上部署了ARM Linux操作系统。根据小编我的硬件开发经验，2014年的ARM芯片应该部署的是32位版本的Linux-armhf系列的系统。

有了这样一个操作系统，操控Ingenuity与操控你手边的电脑并没有本质的区别——只要你会使用C语言编程，就可以开发Ingenuity的应用程序了！不知道有没有唤起各位读者大学时学习C语言的美好回忆呢？

Ingenuity首飞，升空3米，自转90度，悬停，成为了人类首个异星球空气动力飞行器。摄影师：毅力号火星车。

02 它的手脚

Ingenuity使用了两颗飞控MCU来控制桨叶，并飞行。自己组装过无人机的飞友一定不陌生——无非就是一套电机驱动和一套舵机驱动嘛~

电机驱动通过控制电流，来控制共轴反桨的转速，逆时针桨快一点，飞机就向顺时针自转；顺时针桨快一点，飞机就向逆时针自转。两幅桨的速度都快一点，飞机就往上升；两幅桨都慢一点，飞机就往下落。

Ingenuity第二次试飞，首次进行了平飞，最大空速0.5m/s，升空到4.9m高度后，向西飞行了一段距离，并在原地旋转了两圈。摄影师：毅力号火星车。

舵机驱动通过控制周期变矩器的姿态来控制Ingenuity的飞行方向。

没听懂？没关系，你只需要知道在某宝上，整套解决方案不会超过两千块钱。。。。。不需要你自己设计，买回来调试一下就好。

很便宜的。图自网络。

03 它的眼睛和耳朵

根据公开的资料，Ingenuity最重要的载荷，就是其“眼睛”——一台向下拍摄的相机。除此之外，还有惯性导航模块、姿态传感器、激光雷达高度计等等，作为它耳听八方的“耳朵”。

先说“眼睛”。Ingenuity的“眼睛”，是豪威光学的OV7251型号的CMOS图像传感器，换言之，就是照相机的感光元件——“大底”。这个大底厉不厉害呢？并不，OV7251只有7.5分之一英寸，30万像素，最高拍摄480p120帧的VGA视频！怎么样，有没有梦回20年前的感觉？现在的手机前置相机都已经1000万像素起步了，而且同样结实可靠。这个CMOS，某宝售价13元，不含镜头。

眼睛和耳朵们。左上：OV7251；右上：Garmin LIDAR-Lite V3；左下：BMI-160；右下：SCA100T。图中所示全部为民用级产品，图片来自网络。

再说一众“耳朵”们。惯性导航模块是博世的BMI-160，民用级在某宝上售价13元；姿态传感器是村田的SCA100T，某宝原装进口200元；激光雷达高度计是Garmin的LIDAR-Lite V3，某宝包邮最高1400元——你也可以用国产的替代方案，大概只需要十分之一的价格。

Ingenuity在空中拍到的毅力号火星车和火星表面。请横屏查看：

当然，还是不得不说明，宇航级的芯片和元器件都是特挑的，常常万中选一，以取得最佳的工作稳定性、稳健性（所谓鲁棒性），造价与民用级肯定不可同日而语。

04 它的电话

Ingenuity太小了，不可能搭载足够与地球通讯的大功率天线，因此它实际上是通过毅力号火星车，来上传数据和下载指令。

这个数据链也不是什么“高端”的设备——很常见，我们日常生活中充斥着这些东西，那就是Zigbee“紫蜂”网络。命名的意思，就是如同蜜蜂跳8字舞一样，在网络上实现设备间的交流。

Zigbee是当下热门的物联网应用最主要的组网方式之一，它的驱动和应用程序很多，不管是C语言还是Python，你都能在万能的度娘上搜到一大堆。

Zigbee搭起了毅力号火星车和Ingenuity直升机之间的通讯连接，是二者的电话。

05 它的神经系统

如果是一位成熟的硬件工程师，看了上述的描述，应该已经知道如何自制一台火星直升机了。但为了更广大的读者，小编我还是再多说几句。

Ingenuity第三次火星试飞，这次，它向北飞了164米，随后回到原位降落。最大空速2m/s。摄影师：毅力号火星车。

有了各种传感和伺服设备，有了主控，我们必然要搭建起他们之间沟通的桥梁——设备总线。高通骁龙801是一片SoC，自带了设备控制器，也就是说，上述传感器和伺服器是可以直连骁龙801的。

视不同的设备，USB串行总线，IIC串行总线，SPI串行总线都是可选的。

三、 完全放飞的未来展望

看上去很简单，是吧？如果你觉得难，不要慌，实际操作起来肯定比你想像得简单。

过去，我们艳羡欧美那种全民搞科学，搞科普的热情，有各种各样的电视节目，讲述他们搞发明创造。我还记得《流言终结者》、《疯狂实验室》这些节目，启发了我最初的科学兴趣。但是小的时候，那些仪器设备都很贵，也很难买到，所以也只能在电视里干看着。

Ingenuity第四次试飞。这次，毅力号火星车记录了其声音，它成为了第一枚被人类听到声音的异星球飞行器。摄影师还是毅力号火星车。

但时代变了，如今，随着国内网络的普及，这些仪器设备变得触手可及，广大的人民群众也有了一定的的财力来实现自己的想法。这不是正好就可以复现当年我们艳羡的，欧美人的科学生活吗？

回到Ingenuity的设计研发上，大家可以看到，他们用的大部分东西也并非是我们生活中无法触及的高科技产品，相反，我们很容易就能买到原装正品、或者替代品，甚或者是更高级的产品——那为什么不做做看呢？

说不定，下一架火星直升机，就是你做出来的呢！

美编：黄紫薇

校对：张崧 王海波