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。

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