多旋翼基本组成
若言琴上有琴声， 放在匣中何不鸣？ 若言声在指头上， 何不与君指上听？ 以上诗歌表示和多旋翼组成关系是一样的，相互依存，紧密联系。
总体介绍
分为机架、动力系统、指挥控制系统
机架
机身
机身是承载多旋翼所有设备的平台。多旋翼的安全性、可用性以及续航性能都和机身的布局密切相关。因此在设计多旋翼时，其机身的尺寸、布局、材料、强度和重量等因素都是应该考虑的。 指标参数： 1.重量 机身的重量主要取决于其尺寸和材料。由于在相同拉力下，机身越轻意味着可分配的有效载荷越大，因此在保证机身性能的前提下，重量应尽量小。 2.轴距（Diagonal Size） 轴距是用来衡量多旋翼尺寸的重要参数，它通常被定义为外圈电机组成圆周的直径。
3.布局
4.材料 （a）刚度。弹性模量表示是材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系；形变越难改变，刚度越大 （b）强度。抗拉强度就是试样拉断前承受的最大标称拉应力 碳纤维 玻璃钢 聚碳酸脂 丙烯酸塑料 铝合金 轻木 密度（lb/cuin） 0.05 0.07 0.05 0.04 0.1 0.0027-0.0081 刚度（Msi） 9.3 2.7 0.75 0.38 10.3 0.16-0.9 强度（Ksi） 120 15-50 8-16 8-11 15-75 1-4.6
价钱（10:最便宜） 1 6 9 9 7 10 加工（10:最容易） 3 7 6 7 7 10
起落架
（1）作用 1）支撑多旋翼重力 2）避免螺旋桨离地太近，而发生触碰 3）减弱起飞时的地效 4）消耗和吸收多旋翼在着陆时的撞击能量
涵道
（1）作用 1）保护桨叶和人身安全 2）提高桨叶拉力效率 3）减少噪音 （2）工作原理 工作原理为：当螺旋桨工作时，进风口内壁空气速度快静压小，而进风口外壁静压大，因此涵道能产生附加拉力。 （3）参数 扩散段长度和螺旋桨直径是影响涵道性能的主要参数，关于设计可参考[1] [1] Hrishikeshavan V, Black J, Chopra I. Design and performance of a quad-shrouded rotor micro air vehicle. Journalof Aircraft, 2014, 51(3): 779-791.
伯努利原理：在一个流体系统，流速越快，流体产生的压力就越小。 注：尽管涵道可以提升效率增加悬停时间，但增加涵道的同时也会增加多旋翼机的重量从而使悬停时间缩短，因此最终的优化设计需要权衡与折中。
动力系统
• 动力系统通常包括螺旋桨、电机、电调以及电池。 • 动力系统决定了多旋翼的主要性能，例如悬停时间、载重能力、飞行速度和飞行距离等等 • 动力系统的部件之间需要相互匹配与兼容，否则很可能无法正常工作，甚至在某些极端情况下突然失效导致事故发生
螺旋桨
考虑到电机效率会随螺旋桨尺寸变化而变化，所以合理匹配的螺旋桨可以使电机工作在更高效的状态，从而保证在产生相同拉力情况下消耗更少的能量，进而提高续航时间。 （1）作用 1）螺旋桨是直接产生多旋翼运动所需的力与力矩的部件 2）合适的螺旋桨对提高多旋翼性能和效率有着直接的影响 （2）指标参数 1）型号 • 假设螺旋桨在一种不能流动的介质中旋转，那么螺旋桨每转一圈，就会向前进一个距离，就称为螺距或桨距（ Propeller Pitch ）。 螺旋桨一般用4个数字表示，其中前面2位是螺旋桨的直径，后面2位是螺旋桨的螺距。比如：1045桨的直径为10英寸，而螺距为4.5英寸。 2）弦长 较小的转动惯量可以提升电机的响应速度，从而提升多旋翼的性能。 4）桨叶数 • 有实验表明[2,p.65]，二叶桨的力效会比三叶桨稍高一些 [2]Aaron M Harrington. Optimal propulsion system design for a micro quad roto[Master dissertation].University of Maryland, USA, 2011. • 最大拉力相同的前提下，二叶桨直径要比三叶桨直径大 5）安全转速 6）螺旋桨力效
（3）静平衡和动平衡 进行静平衡和动平衡的目的是减少振动
- 螺旋桨静平衡是指螺旋桨重心与轴心线重合时的平衡状态；而螺旋桨动平衡是指螺 旋桨重心与其惯性中心重合时的平衡状态
- 出现不平衡的情况时，可以通过贴透明胶带到轻的桨叶，或用砂纸打磨偏重的螺旋 桨平面（非边缘）来实现平衡。
电机
多旋翼的电机主要以无刷直流电机为主，将电能转换成机械能。
- 无刷直流电机具有多种优势，比如效率高、便于小型化以及制造 成本低
- 根据转子的位置，无刷直流电机可以进一步分为外转子电机和内转子电机。外转子电机可以提供更大的力矩，因此更容易驱动大螺旋桨而获得更高效率。
指标参数： 1）尺寸 电机的尺寸取决于定子的大小，由一个四位数字来表示。例如2212（或写成22×12）电机，前两个数字代表定子直径（单位mm），后两个数字代表定子高度（单位mm），因此2212电机表示电机定子直径是22mm，定子高度为12mm。 2）标称空载KV值 • 无刷直流电机的KV值指的是空载情况下，外加1V电压得到的电机转速值 （单位：RPM） • 大型螺旋桨可以选用KV值较小的电机，而小型螺旋桨可以选用KV值较大 的电机 3）标称空载电流和电压 在空载（不安装螺旋桨）试验中，对电机施加空载电压（通常为10V）时测得的电机电流被称为空载电流。 4）最大电流/功率 最大峰值（瞬时）电流/功率：电机能承受的最大瞬时通过的电流/功率；最大连续（持续）电流/功率：电机能允许持续工作（规定时间）而不烧坏的最大连续电流/功率 5）内阻 电机电枢本身存在内阻，虽然该内阻很小，但是由于电机电流很大有时甚至可以达到几十安培，所以该小内阻不可忽略 6）电机效率 电机效率是评估性能的一个重要参数
7）总力效 总力效的计算方式如下：
电调
（1）作用 电调全称电子调速器，英文Electronic Speed Control，简称ESC。 1）电调最基本的功能就是电机调速 2）为遥控接收器上其它通道的舵机供电 3）充当换相器的角色 4）电调还有一些其它辅助功能
（2）指标参数 1）最大持续/峰值电流 无刷电调最主要的参数是电调的功率，通常以安数A来表示，如10A、20A、30A。不同电机需要配备不同安数的电调，安数不足会导致电调甚至电机烧毁。
• 最大持续电流指的是在正常工作模式下的持续输出电流 • 峰值电流指的是电调能承受的最大瞬时电流。
2）电压范围 电调能够正常工作所允许输入的电压范围也是非常重要的参数。一般在电调说明书上可以看到标注例如“3-4S LiPo”字样，表示这个电调适用于3到4节电芯串联的锂聚合物电池，也就是说它的电压范围为11.1V˜14.8V。
3）内阻 电调具有相应内阻，其发热功率需要得到注意。有些电调电流可以达到几十安培，发热功率是电流的平方的函数，所以电调的散热性能也十分重要，因此大规格电调内阻一般都比较小。
4）刷新频率 电机的响应速度与电调的刷新速率有很大关系。在多旋翼开始发展之前，电调多为航模飞机而设计，航模飞机上的舵机由于结构复杂，工作频率最大为50Hz。相应地，电调的刷新速率也都为50Hz。多旋翼与其它类型飞机不同，不使用舵机，而是由电调直接驱动，其响应速度远超舵机。目前，具备UltraPWM功能的电调可支持高达500Hz的刷新率。 5） 可编程特性 通过内部参数设置，可以达到最佳的电调性能。通常有三种方式可对电调参数进行设置： • 可以通过编程卡直接设置电调参数 • 通过USB连接，用电脑软件设置电调参数 • 通过接收器，用遥控器摇杆设置电调参数
6）兼容性 如果电机和电调兼容性不好，那么会发 生堵转，即电机不能转动了
（3）方波驱动V.S. 正弦波驱动 1）方波驱动 方波是数字信号，控制元件工作在开关状态，电路简单容易控制发热小等优点。 2）正弦波驱动（矢量控制，Field Oriented Control） 正弦驱动在运行平稳性、调速范围、减振减噪方面优于方波驱动。目前可采用光电编码器、霍尔传感器或者基于观测器的方法测量转子角度。因为多旋翼电机始终工作在高转速状态下，可以基于观测器的方法进行矢量调制，节约成本。
电池
电池主要用于提供能量。目前航模最大的问题在于续航时间不够，其关键就在于电池容量的大小。现在可用来做航模动力的电池种类很多，常见的有锂聚合物电池（LiPo）和镍氢电池（NiMh），主要源于其优良的性能和便宜的价格优势。 1）电压 • 锂电池组包含两部分：电池和锂电池保护线路。 • 单节电压3.7V，3S1P表示3片锂聚合物电池的串联，电压是11.1V，其中：S是串联，P表示并联。又如2S2P电池表示2片锂聚合物电池的串联，然后两个这样的串联结构并联，总电压是7.4V，容量是单个电池的两倍。 • 不仅在放电过程中电压会下降，而且由于电池本身具有内阻，其放电电流越大，自身由于内阻导致的压降就越大，所以输出的电压就越小。
2）容量 • 电池的容量是用毫安时来表示的。5000毫安时的电池表示该电池以5000毫安的电流放电可以持续一小时。但是，随着放电过程的进行，电池的放电能力在下降，其输出电压会缓慢下降，所以导致其剩余电量与放电时间并非是线性关系。 • 在实际多旋翼飞行过程中，有两种方式检测电池的剩余容量是否满足飞行安全的要求。一种方式是检测电池单节电压，另一种方式是实时检测电池输出电流做积分计算。 • 注意：单电芯充满电电压为4.2V，放电完毕会降至3.0V(再低可能过放导致电池损坏)，一般无人机在低于3.6V之前会电量报警 3）放电倍率 一般充放电电流的大小常用充放电倍率来表示，即充放电倍率=充放电电流/额定容量 • 例如：额定容量为100Ah的电池用20A放电时，其放电倍率为0.2C。 • 电池放电倍率是表示放电快慢的一种量度，越大表明放电越快。所用的容量1小时放电完毕，称为1C放电；5小时放电完毕，则称为1/5=0.2C放电。容量5000毫安时的电池最大放电倍率为20C，其最大放电电流为100A 。 • 锂聚合物电池一般属于高倍率电池，可以给多旋翼提供动力。 • 放电电流不能超过其最大电流限制，否则可能烧坏电池
指挥控制系统
遥控器和接收器
遥控器发送飞控手的遥控指令到接收器上，接收机解码后传给飞控制板，进而多旋翼根据指令做出各种飞行动作。遥控器可以进行一些飞行参数的设置，例如：油门的正反，摇杆灵敏度大小，舵机的中立位置调整，通道的功能定义，飞机时间记录与提醒，拨杆功能设定。高级功能有航模回传的电池电压电流数据等等。
（2）指标参数 1）频率 • 常用的无线电频率是72MHz与2.4GHz，目前采用的最多的是2.4GHz遥控器。 • 2.4GHz技术属于微波领域，有如下几个优点：频率高、同频几率小、功耗低、体积小、反应迅速、控制精度高。 • 2.4G微波的直线性很好，换句话说，控制信号的避让障碍物的性能就差了。控制模型过程中，发射天线应与接收天线有效的形成直线，尽量避免遥控模型与发射机之间有很大的障碍物（如房屋及仓库等）。 2）调制方式 • PCM是英文Pulse Code Modulation的缩写，中文的意思是：脉冲编码调制，又称脉码调制。PPM是英文Pulse Position Modulation的缩写，中文意思是：脉冲位置调制，又称脉位调制，前者指的是信号脉冲的编码方式，后者指的是高频电路的调制方式。 • PCM编码的优点不仅在于其很强的抗干扰性，而且可以很方便的利用计算机编程，不增加或少增加成本，实现各种智能化设计。相比PCM编码，PPM比例遥控设备实现相对简单，成本较低，但较容易受干扰。 3）通道 一个通道对应一个独立的动作，一般有六通道、十通道等。多旋翼在控制过程中需要控制的动作路数有：油门、偏航、俯仰、滚转，所以至少得四个通道 遥控器。 4）控制模式-- 美国手和日本手 美国手和日本手就是遥控杆对应的控制通道的设置不同。美国左手操作杆是“油门+偏航”，右手为“俯仰+滚转”。日本手则是左手“俯仰+偏航”，右手“油门+滚转”。目前，国内多旋翼操控以美国手遥控器为主。
5）油门 • 油门杆不会自动回中，最低点为0%油门，最高点为100%油门。这种油门主要对应的是期望的推力的大小, 称直接式油门。 • 还有一种油门是松手油门自动回中，属于增量式油门。 6）遥控距离 根据功率不同，遥控器控制的距离也有所不同。遥控器上也可以使用带有功率放大（Power Amplifier，PA）模块，带有鞭状天线，可以增大操控距离。 （3）开源遥控器 针对遥控器，目前也有开源项目，可参见网站 • http://www.os-rc.com/ • http://www.open-tx.org/ • http://www.reseau.org/arduinorc/ • 这样用户可以根据自己的需求定制自己的遥控器。
自动驾驶仪
（1）组成 多旋翼自动驾驶仪，分为软件部分和硬件部分。包括： 1）全球定位系统（GPS）接收器； 2）惯性测量单元（IMU），包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、电子罗盘（或磁力计），目的是得到多旋翼的姿态信息； 3）气压计和超声波测距模块； 4）微型计算机； 5）接口。 （2）作用 1）感知。导航就是解决“多旋翼在哪”的问题。如何发挥各自传感器优势，得到准确的位置和姿态信息，是自驾仪飞控要做的首要的事情。 2）控制。控制就是解决“多旋翼怎么去” 的问题。首先得到准确的位置和姿态信息，之后根据任务，通过算法计算出控制量，输出给电调，进而控 制电机转速。 3）决策。决策就是解决“多旋翼去哪儿” 的问题。去哪儿可能是操作手决定的，也可能是为了安全，按照规定流程的紧急处理方案。
腾讯云开发者
