无人机DIY入门

        历时三周左右的时间,完成了一架四旋翼无人机F450的组装,今天成功试飞定高、定点、自动返航、自动降落等飞行模式,整体性能稳定。下面我将自己组装过程中遇到的一些问题及心得收获分享出来,希望对之后入魔的新手朋友有所帮助。

        首先申明一下本人是菜鸟,此前未接触过无人机,几乎零基础组装四旋翼,在大神们前班门弄斧了。因为我在组装之初逛论坛时,觉得论坛里面的内容相对比较零散,不够系统。所以在自己组装完成之后,跟大家系统性分享一下。分享的内容在之前的论坛里面可能有所提及,我这里引用到之前魔友的帖子一般会注明出处,不排除遗漏的,希望被“侵权”的魔友不要介意。

一、目的

        每个人入魔的目的不尽相同,有些人是娱乐的心态,将无人机当作玩具来玩,更关注的是操作技巧,体验操作无人机带来的愉悦感。有些人则是喜欢DIY,体验创造无人机带来的快乐,同时也享受操作无人机的愉悦。本人从小比较喜欢捣鼓这些玩意,这次偶然的机会接触到无人机,因此想着自己动手DIY,后续在逐渐去学习一下飞控算法。

        目的不同,选择入魔的方式不同,想体验飞行操作的适合买一个到手飞,纯DIY的话可以购买一个套装来组装,想了解多旋翼无人机基本原理的就需要自己选配零部件。

二、基本原理

      多旋翼无人机基本原理参见http://wenku.baidu.com/link?url=TT7fyptLVJ7bfU7uu6e5gJHIIs672fNaTWrDQkaehwfk3B-qnVEdORdZb_iuJDoj-skmReUZMivInJgd9QUP_-I4f7jELNcy0EnvQRo5gMy第一章节。简单来说,多旋翼无人机是通过控制电机转速来实现飞机的上升、下降、旋转、俯仰等控制。不同的飞控可能实现方式有所差异,我选用的APM飞控采用PID控制原理,具体参见http://wenku.baidu.com/link?url=3yKFTCVbWi3vb0Rqc-3_O5ge7ZyIdi8C4S4FBlgUcglAip4nCQzniToOISIgHZxKCRNVkbQttVXte0odYT0opsswl7t9o7hQ46Y4H3RIixW 。APM是一款国外开源的飞控系统,国内有一个衍生论坛http://copter.ardupilot.cn/及微博http://www.weibo.com/apmcn。

三、工具

      工欲善其事必先利其器,组装前先准备好一些必要的工具,清单如下表:

烙铁套装(功率最好大一点)

焊接电机的香蕉头、XT60插头、机架板/分电板、电流电压传感器

尖嘴钳

安装脚架时固定螺帽

电子钳

剪电线、扎带等

万用表

测试机架板/分电板焊接是否成功

内六角螺丝刀(1.0mm、1.5mm、2.5mm、3.0mm)

安装GPS模块、组装机架板、力臂、脚架

尖头螺丝刀

打孔

胶枪

加固机架板焊接点

热风枪

加热香蕉头、XT60插头、电流电压传感器热缩管

尼龙扎带

固定走线、电调、接收机、无线数传

电池扎带

固定电池

3M胶

固定飞控板、GPS模块

强力胶水

制作接收机外壳

热缩管

绝缘香蕉头等

        这里把我用到的工具及配件都列出来,有些最好在购买零部件的时候要卖家赠送,因为不同卖家的部件螺丝孔距不一,所以最好是卖家赠送配套直径的螺丝刀。另外关于香蕉头、接线插头、机架板/分电板如果自己不能熟练的焊接,可以加点费用让卖家帮忙焊接好。我就是当时没有让卖家焊接,所以自己买了一个烙铁套装自己焊。机架板焊接效果不是很好,还把手指烫掉一块。再强调一次,烙铁功率要点,要不然焊接很痛苦,尤其是对于新手而言。让卖家焊接可以省掉购买烙铁套装、胶枪的费用,甚至都不需要热风枪和热缩管了。一些工具可以用其他常用工具替代,比如尖嘴钳,电子钳,热风枪。在安装机架脚架的时候,需要用尖嘴钳固定螺帽,如果家里有小一点的老虎钳子能够放到脚架缝隙里,可以用老虎钳替代。电子钳就是用来剪电线、扎带等,完全可以用剪刀替代。热风枪可以用打火机替代。由于我的遥控器接收机没有塑料外壳,用扎带固定担心勒坏,所以用强力胶水粘了一个木制盒子,如果大家用的接收机有外壳,可以不用强力胶水。尽管有其他方法能够检测机架板/分电板焊接是否成功,但最好备一个万用表,它还可以用来确认接收机的信号脚以及测量电池电压等。为了防止炸机,跟电相关的部件要格外谨慎。

四、部件

        先晒一下我组装的配置清单,当然还有其他一些部件,比如OSD、FPV设备等首次组装不大可能涉及,我也没有研究过,这里略过:

必要部件

APM飞控板(2.6,弯针):飞机核心部件

GPS模块(8M,附带电子罗盘):定位

富斯i6双向遥控器(发射机、接收机)

朗宇无刷电机(980KV,2212)

螺旋桨(1045,正反桨,子弹头)

好盈无刷电调(40A,2-3S)

仿F450机架(机架板、力臂、脚架)

花牌电池(2700mAH,3S,25C)

电池低压报警器:电池电压监控

SKYRC B6 Min充电器套装

可选部件

3DR无线数传(433MHZ,100mW)

飞控减震板

电流电压传感器:稳定输出APM飞控电压,指示电流电压。

OTG线:连接手机地面站。

        对于刚入魔的新手来说,四轴是比较容易上手的机型。最重要的应该是飞控的选型,它决定了你在魔界的阵营。目前主流的开源飞控有APM、MWC,当然还有DJI 商用NAZA等飞控。每种类型的飞控基本都有相关的论坛,我选择的是APM飞控,主要考虑到它的开源,想着后续可以研究学习一下飞控算法。具体一些问题我百度搜索到的论坛http://bbs.5imx.com/。飞控板主要包括以下元件:处理器,陀螺仪、空压计、加速度计等传感器,I/O接口(为了接线方便,弯针接口好些)。处理器可以说是无人机的大脑,用于飞行姿态运算,PID控制,导航等。传感器是无人机的感官系统,用于获取飞行姿态、高度等数据。I/O口用于连接接收机、电调、GPS模块、无线数传/OSD等外围设备。GPS模块用于获取无人机当前的地理位置(经纬度),定点、自动等飞行模式需要GPS模块。

        无线数传模块,顾名思义就是通过无线的方式来传输数据。在调试阶段无线数传模块用于通过Mission Planner地面站设置APM飞控参数,在飞行过程中无线数传模块用于实时发送无人机的一些飞行数据(自动飞行模式下航点信息、飞行速度等)到地面站,另外地面站也可以通过无线数传模块发送指令。无线数传模块类似遥控器,有发送端、接收端。具体哪个是发送端、哪个是接收端我没有太关注,通过接口就能区分哪个连接电脑,哪个连接APM飞控。对于刚入魔的新手来说,这个模块不是必须的。调试阶段可以通过USB线直连APM飞控进行固件升级、加速度计、罗盘、遥控器校准等。飞行过程中,由于时间较短,而且基本不大敢玩自动飞行,也就没有必要实时获取无人机的飞行数据了。

        遥控器,是无人机控制信号的输入设备,由接收机和发射机组成。接收机连接飞控,将接收到的发射机指令转换成PPM/PWM等信号输入给飞控。PPM/PWM信号的接收机与APM飞控的连接方式有一点差异,参考http://copter.ardupilot.cn/wiki/快速入门指南/。遥控器另外一个重要参数就是通道数,基本决定遥控器性能及价格。关于通道的概念可以百度搜索一下就清楚了,简单打个比方来说,就好比道路,每条路通往不同的目的地。遥控器的每个通道一个控制目的,比如油门通道、副翼通道、方向通道等。通道的作用可以进行设置。对于四旋翼无人机六通道基本够用了,油门、副翼、方向、两个开关通道(设置混控用于飞行模式切换)等,这个应该是按照固定翼飞机的叫法。APM最多支持八个通道,因此遥控器最多选个八通道的就行。对于遥控器品牌我没有太高要求,国外有两款较好,名字记不得了。国内的天地飞性价比较好,我选择富斯主要是因为便宜。最后关于遥控器跟大家提醒一下注意的油门位置:左手遥控器(美国手、左手油门)、右手遥控器(日本手、右手油门)。

      机架,是整个无人机的框架。机架的轴距决定飞机的尺寸,即基本决定飞机的重量。飞机尺寸越大、重量越重则需要配备大尺寸的螺旋桨才能产生足够的升力。电机为克服螺旋桨的阻力而做功,阻力越大则电机达到额定转速越困难,会导致电流过大而烧毁电机。因此要注意机架轴距、螺旋桨直径、电机转速直径的匹配关系。这里面的物理学关系我没有得出精确的公式,但从论坛帖子里面找到近似的答案。即大轴距机架配长螺旋桨、低转速的电机,产生的升力大;小轴距机架配短螺旋桨、高转速的电机,飞行速度快。我选用的是仿F450机架的轴距50CM,螺旋桨10CM(直径)*45CM(螺距),电机转速980KV。当然可以根据自己的目的(重量、速度)选择合适的机架配置。在购买机架的时候最好跟卖家沟通一下机架、螺旋桨、电机的匹配关系。

      电流电压传感器是一个选配部件,用来给APM飞控板及电调供电,好处就是输出稳定电压给飞控板。泡泡老师在APM使用教程中有讲到四种供电方式(参见优酷),不过在说到用电流电压传感器给APM供电时要求APM短接JP1口,我的实践结果是不需要短接,不知道是APM版本的问题还是泡泡老师口误。安装电流电压传感器的另外一个好处就是它能够独立给APM及电调供电,如果不涉及电机调试的情况下,可以不给电调供电,避免电机误转造成伤害,否则每次调试时都要卸掉电机的螺旋桨。我的电流电压传感器购买APM飞控时赠送的,不过卖家没有给焊接XT60电源线。

        低压报警器,用于检测电池电压,过低时发出报警声,避免电池过放。为保护电池,建议配一个报警器,价格不高,甚至可以买电池时让卖家赠送一个。

        讲解电机、电调、电池部件之前我先介绍几个术语:S(节):表示电池节数。无人机基本都使用锂电池,1节锂电池3.7V,因此节数一般用来表示电压,比如3S表示11.1V(3.7*3V)。注:1节锂电池不是固定3.7V,放电后电压可能会下降到3V以下,充电后电压可能会上升到4V以上。

A(安培):这个大家可能比较熟悉,表示电流大小的单位。

C(放电倍率): 1C表示1小时释放完电池容量时的电流大小,如2700mAH时电池的1C表示2.7A(2700mA),意思是以2.7A的电流进行放电,1小时释放完电池容量。因此用C数表示放电量大小,电池性能的重要参数。比如2700mAH、25C的电池,表示电池的最大放电电流为67.5A(25*2.7A)。如果电池以大电流进行放电,则放电时间短。前面所说的电池如果始终以67.5A进行放电,则放电时间为2.4Min(60Min/25)

mAH(毫安时):电池容量单位。

        电机、电调、电池为无人机提供动力。而且这几个部件彼此存在一定匹配关系,所以这里放在一起介绍了。现在基本都用的无刷电机,效率高、寿命长,但必须配合电调才能驱动其转动。电机主要有两个参数:最大电压(S)、最大电流(A)、KV值、尺寸(22(高度)*12(直径)。KV值表示1V电压下电机的转速,如980KV值表示1V下电机转速980r/min,11.1V(3S电池供电)下转速大约为980 *11.1 r/m。KV值大小不代表电机的性能,前面已经讲过根据机架轴距、螺旋桨直径选择合适KV值得电机。

        电调的性能参数:允许的最大电流(A)、最大电压(S),电池的参数:容量(mAH)、放电倍率(C)。

        理论上电调的最大电流、电压,电池的容量、放电倍率越大越好,但会导致电调、电池越重,最终导致无人机整体重量过大。电机正常工作的电流只有3~5A(没有实际测量过,百度搜索了解的),因此电调只要能够提供比5A大的电流即可。不过考虑到电机会出现瞬间较大的电流,可以预留一点余量(最大电流15A应该够用)。电调允许的最大电压不低于电机最大电压(电机的电压决定电机的转速(KV*电压值))。电池的放电电流要高于电机的最大电流,否则不能让电机达到最大转速。电池的放电电流由放电倍率(C)决定,如对于2700mAH的电池,10C放电电流就能达到27A(2.7A*10),可以满足电机电流的要求(4个电机电流之和最大20A)。电池的容量在无人机重量允许的条件下越大越好,不过容量越大价格越高。

        简而言之,电机的参数决定电调、电池的参数。电机的最大电流、最大电压决定电调的最大电流、最大电压。电机的最大电流决定电池的放电倍率。我选配的电机最大电流20A,支持的电压(2-3S)。电调最大电流40A,支持的电压(2-3S)。电池放电倍率25C(最大电流67.5A),容量2700mAH。按照电机所需的最大电流80A(4个电机并联,电流为电机电流之和)来计算的话,电池的放电性能稍微差了些,不过基本不大可能达到最大电流,电池基本能够满足要求。如果不考虑价格因素,4000mAH以上容量的电池比较合适。

        平衡充电器:前面已提到锂电池电压不固定,尤其是几节级联在一起的电池,放电过程中压降可能不同,因此需要采用平衡充电器将各节电池的电压平衡一致。平衡充电器一般都能支持锂电池、镍氢电池等充电,也可以支持设置充电电流,因此开始充电之前先学一下充电器如何设置,参见http://v.youku.com/v_show/id_XNTMzMzE4Mzgw.html。

        OTG线:连接android智能机或者android平板与无线数传的电脑端模块。通过OTG线,智能机或者平板地面站(tower(droidplanner的最新名称)、andropilot)可以连接上APM飞控,提供类似PC版地面站Mission Planner功能。这个功能我试验了挺长时间,但是没有成功,后续再研究研究。要用智能机或者平板能够连接APM飞控的话,对硬件和软件都有要求。首先智能机或者平板硬件上要支持OTG功能(能够对外输出5V电压,可支持连接U盘、键盘并能给其他手机充电),其次android系统的版本需要在4.0以上。最后要求手机能够支持Google service framework、Google play service,因为tower地面站应用依赖这两个Google服务框架。我通过root手机,安装好了Google服务框架,但是Google play service经常停止服务,我一直没有解决这个问题。另外一个头疼的问题就是tower需要Google卫星地图,国内现在访问不了。后来购买港版华为MATE7成功安装地面站TOWER,亲测功能一切正常。只是因为上不了Google地图还是不能用。

五、组装

        组装过程大致分为以下几个步骤:机架、飞控系统、动力系统的安装。

        机架安装相对比较简单,参考http://v.youku.com/v_show/id_XNDkwNTEzMzU2.html。对于没有硬件背景的玩家可能焊接电调/分电板有一点难度。我此前一直都没有焊接过,这次自己焊接刚开始没有找到规律,很难焊接牢固,还出现了虚焊,重新焊接了之后再用胶枪加固。不过多试几次应该问题不大,我的经验是找网上视频看一下(泡泡老师的优酷视频也有讲过),然后从最简单的香蕉头焊接开始,关键是掌握好烙铁的温度(烙铁接触焊接的时间)。不过要熟练掌握焊接技术可能要花一些时间多加练习,所以尽可能让卖家直接焊接好,避免花费过多时间在焊接上。后来换了一个大功率的烙铁,焊接轻松搞定。

        F450机架的螺丝有两种规格内六角H2.0mm、H2.5mm,为了防止不同厂家的机架螺丝孔不一致,最好让卖家赠送或者购买配套的螺丝刀。至于机架板是沉金PCB还是单独分电板关系不大,我的仿F450机架下板虽然是沉金板,不需要额外的分电板,但焊接电调后仍然放不下APM飞控板而没有用上这个空间。个人认为F450机架是大疆为NAZA飞控板(尺寸较APM小)设计的,而仿F450都是按照这个尺寸来的,因此对APM飞控板兼容性不是很好,建议卖家们能够稍微改进一下。由于电调是焊接在机架下板上的,因此安装机架的同时需要用尼龙扎带把电调固定在机架力臂上。各个电调固定在机架力臂的位置应该大致相同,如此保证重心不会偏。一般机架力臂是两种颜色,因此安装的时候可以根据之后要选择的飞行模式(十字型/X型)通过机架力臂的颜色区分出无人机的头部及尾部。我的机架力臂是红白两色,选择X型飞行模式,因此我将红色的两个机架力臂安装在头部位置。

        飞控系统包括APM飞控板、GPS模块、遥控器接收机及无线数传模块辅助设备,泡泡老师有比较详细的教程http://v.youku.com/v_show/id_XNzAwMjgyNzAw.html(新编APM飞控教程系列教程)。由于我购买的仿F450机架不能完全兼容APM飞控板,因此我将APM飞控板安装在机架上板。而APM飞控板的气压计易受强光干扰,因此后续需要考虑加一个遮阳板避免阳光直射气压计。另外考虑到APM飞控板对震动比较敏感,我加装了一个减震板。不过同样存在兼容性问题,不得已我在减震板打了两个孔,通过尼龙扎带将其固定在机架上板。APM飞控板是具有方向性的,将飞控板的向前标志与机头方向保持一致。

        GPS模块的指向需要与APM飞控板的指向保持平行(一些GPS有指向标记,一些没有的可以参考泡泡老师的优酷视频找到GPS的指向)。GPS模块(带电子罗盘模块)不能安装在机架下板附近的位置,因为飞行过程中机架下板附近会产生电流而干扰电子罗盘。如果是APM2.5(内置电子罗盘)的话,那飞控板则要远离电源线路。GPS模块尽可能的安装在机架较高的位置,避免受干扰。我购买的GPS模块带有一个碳纤维杆用于支持GPS模块,不过遇到的问题就是支杆底座在机架上板没有对应的螺丝孔,无法安装固定。为了不想再打孔破坏机架上板,我采用了一个小技巧把GPS模块安装好了,且效果不错。但由于支撑杆占据了部分机架下板的空间,导致电池不能放置在机架下板了。不过还好有机架脚架,在下板下方与脚架之间有一点空间刚好能安装电池。GPS模块通过Y线连接到APM飞控板I2C接口及GPS接口,两个接头不一样,不大可能接错。

        遥控器接收机安装比较简单,我把它用尼龙扎带固定在机架下板机尾位置。另外由于富斯i6遥控器的接收器很简陋,都没有塑料外壳。我自己用女儿积木薄板粘了一个接收机盒子防止被扎带勒坏。我推荐的接收机与飞控板的连线方式是,用杜邦线将通道一一对应的连接。由于连接线做了防呆处理,因此基本不大可能弄错信号线与地线。购买飞控时一般都赠送杜邦线,最好让卖家赠送8根(APM飞控板最多支持8通道)。当然懂硬件的玩具可以自己改造一下,通过将连接线打横,一根线当三根用(只要其中一根连接线能够给接收机供电即可)。这样的做法一是新手不大懂,而且打横之后线不大好接,甚至可能会把连接针弄歪弄断。另外玩四旋翼无人机一般选择5-6通道的遥控器,但APM飞控支持8个通道,不能一一对应。前4个通道是必须的,控制油门、方向等操作,用杜邦线一一对应连接。5-6通道一般设置混控用于切换飞行模式。7-8通道用于调试设置,比如自动调参等。由于遥控器的通道不够了,因此可以临时将遥控器的5/6通道连接到7-8通道进行调试控制。调试完成后5-6通道还是一一对应连接用于混控设置飞行模式。

        无线数传模块,为保证机头机尾重心平衡,我将它安装在机架下板头部位置。通过数据线连接到APM飞控板的Telem接口即可。如果后续需要一并连接OSD等外围模块(我这次未涉及其他模块),则需要通过Y线连接数传模块及其他外围模块。

        电机、螺旋桨的安装本身比较没有什么可说的。必须要注意的是电机转动方向以及正反螺旋桨。另外就是安装螺旋桨的时候在子弹头里面加个垫子(购买螺旋桨时附带有各个型号的垫子)防止螺旋桨晃动。四旋翼无人机的4个电机转向与飞行模式(X型/十字型)有所不同,参考下图:

电机转向图


        可以通过交换连接电机与电调任意连根线即可改变电机的转动方向。APM飞控的输出端1-4通道分别连接1-4电机对应的电调。注:出于安全考虑,螺旋桨在所有调试完成后再安装。

六、调试与设置

1、 下载固件

注:下载固件只能通过USB进行,不能通过数传模块(下载固件过程中需要复位APM,而数传模块无复位信号)。另外下载固件是不需要地面站连接上APM飞控的。

2、 加速度计校准

3、 罗盘校准

        APM2.6的电子罗盘是外置的,我的电子罗盘是跟GPS模块一起的。

注:不进行罗盘校准,不能解锁。

4、 遥控器校准

注:需要遥控器对方向通道进行反向设置。

5、 电调油门行程校准

6、 失控保护设置

        以上调试过程参见http://tieba.baidu.com/p/2974250475以及泡泡老师的新编APM飞控系列教程。遥控器及电调油门行程校准后,需要确认四个电机输出是否基本一致。电调校准另参见http://copter.ardupilot.cn/wiki/esc-calibration/。

7、 遥控器设置

        富斯i6遥控器失控自动返航、混控设置飞行模式、自动调参帖:http://bbs.5imx.com/bbs/forum.php?mod=viewthread&tid=1007755。

8、 解锁怠速

        新版本的APM固件解锁后默认以70r/min怠速,可以通过地面站修改该设置。

9、 PID自动调参

        如果是6通道的遥控器,5,6通道混控设置飞行模式。PID自动调参只能在APM的7或者8通道打开。遥控器的通道不够用了,因此可以通过将接收机的5或者6通道作为APM的7或者8通道连接起来,作为自动调参的开关用。自动调参好了之后再将接收机的5,6通道分别连接APM的5,6通道,恢复5,6通道为混控设置飞行模式的功能。

七、常见问题

1、 飞控系统如何选型?

      目前常见的一些飞控板有:NAZA、APM、MWC、QQ、KK等。我大概了解了前面3种飞控板,NAZA是大疆推出的DIY飞控,APM、MWC国外开源的飞控。QQ、KK没有了解过,从价格来看比较便宜,估计功能偏弱。如果仅仅想体验操作无人机的愉悦,选个大疆到手飞或者套装就行,如果想研究一下无人机原理,体验DIY的乐趣,可以选择开源的APM、MWC。

2、 机架如何选型?

        入门级选择F450机型基本满足要求。

3、 螺旋桨与电机如何选型?

        大直径螺旋桨搭配低KV值电机,相反小直径螺旋桨搭配高KV值电机。机架轴距长则选择大直径的螺旋桨,反之轴距短则选择小直径的螺旋桨。一起购买时最好让卖家搭配好。

4、 电调、电池如何选型?

        电调允许的最大电压、电流不低于电机的最大电压、电流。电池放电电流不低于所有电机最大电流之和,电压不低于电机要求的最低电压。电池的容量权衡价格与重量越大越好。

5、 如何给电调供电?

        电池通过分电板或者沉金机架板给电调供电。购买分电板或者沉金机架板最好要求卖家焊接好。

6、 APM飞控板安装注意事项?

        APM飞控向前标志与机头方向一致。APM飞控板对震动比较敏感,最好加装减震垫(俗称席梦思)。另外APM飞控板上的气压计易受强光干扰,如果飞控板安装在机架上板的话,最好加装一个遮阳板。

7、 GPS模块、电子罗盘安装注意事项?

        GPS模块、电子罗盘安装位置尽可能远离干扰,如不要安装在电线附近,避免电流对其他产生影响。另外GPS模块尽快安装在飞机最高的位置,通常会通过支架来增加高度。最重要的是GPS朝向要与APM飞控板保持一致。

8、 电调安装注意事项?

        电调通常安装在机架力臂上,各个电调在力臂安装的位置大致相同,避免重心偏移。安装电调时最好确定机头朝向,即确定电调连接的各个电机的转向。

电机转向图

        1,2号电机逆时针转向,3,4号电机顺时针转向。可通过交换电调与电机三根连接线中的任意两个来改变电机转向。

        APM输出端1-4通道分别1-4号电调对应。

9、 螺旋桨安装注意事项?

        螺旋桨有正反之分:1,2号电机安装正桨,3,4号电机安装反桨。

10、 遥控器接收机如何连接APM飞控板?

        一般的遥控器接收机输出PPM或者PWM信号。两种信号的接收机与APM飞控板连接的方式不同:PPM信号的接收机,用1根3P杜邦线对应连接接收机与飞控板的输入端的第1个通道,短接APM飞控板输入端的2和3通道;PWM信号的接收机,用3P杜邦线对应连接接收机与飞控板的各个通道即可。

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