第三章無人機(jī)結(jié)構(gòu)PPT課件

1、第三章 無人機(jī)結(jié)構(gòu)航空工業(yè)出版社2 目 錄3.1固定翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)3.2多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)3.3變體無人機(jī)結(jié)構(gòu)3.4飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求3 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)3.1固定翼無人機(jī)結(jié)構(gòu) 固定翼無人機(jī)結(jié)構(gòu) 固定翼類無人機(jī)是最早出現(xiàn)的無人機(jī)機(jī)型。常用的接收機(jī)通道名稱依然沿用了固定翼遙控飛機(jī)中使用的叫法：AIL- 副翼；ELE- 升降舵；THR- 油門；RUD- 方向舵；GRY- 起落架等。這些名稱在多旋翼或者其它類型無人機(jī)中并不使用，但依然沿用這類稱呼，足見固定翼在無人機(jī)機(jī)型中的重要位置。固定翼的機(jī)身結(jié)構(gòu)如圖 3-1。4 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)3.1.1 固定翼無人機(jī)常用專業(yè)術(shù)語 以下介紹的術(shù)語僅針對常

2、規(guī)布局的固定翼無人機(jī)，見圖3-2。(1)機(jī)翼機(jī)翼:產(chǎn)生主升力的翼面。飛機(jī)的飛行主要靠機(jī)翼產(chǎn)生的升力。升力大小又和飛行速度有關(guān)。飛行速度越快開力越大，飛行速度越慢升力也越小:當(dāng)飛行速度使機(jī)翼產(chǎn)生的升力大于自身重力的時(shí)候，飛機(jī)才可能離地在空中飛行。(2)水平尾翼水平尾翼:水平安放在機(jī)身后部的翼面，起俯仰穩(wěn)定作用。水平尾翼面積越大，俯仰穩(wěn)定性越好，反之則越差。常規(guī)的尾翼一般由兩部分組成，前面固定不動(dòng)的部分稱 為“安定面”，后面可操縱的部分稱為“舵面”。(3)垂直尾翼垂直尾翼:垂直安放在機(jī)身后部的冀面，起到方向穩(wěn)定作用。垂直尾翼面積越大，方向穩(wěn)定性越好，反之則越差。(4)機(jī)身機(jī)身:連接機(jī)翼與尾翼的結(jié)構(gòu)

3、。對與尾翼大多教模型飛機(jī)來說，機(jī)身只是連接機(jī)翼以及用于安放機(jī)載設(shè)備的結(jié)構(gòu)，并不具備其他用途，只有在特殊情況下才有特定的功能，如特技模型飛機(jī)在側(cè)飛動(dòng)作時(shí)。5 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)3.1.1 固定翼無人機(jī)常用專業(yè)術(shù)語 (5)螺旋槳螺旋槳:產(chǎn)生拉力或推力的裝置。螺旋槳設(shè)計(jì)、制作、匹配得好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，因此一定不要忽略螺旋槳的性能。(6)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī):動(dòng)力系統(tǒng)。(7)起落架起落架:在起飛和降落階段用來在地面滑行的裝置。現(xiàn)在的模型飛機(jī)起落架的形式主要分為兩種，即“前三點(diǎn)”(見圖3-3)和“后三點(diǎn)”(見圖3-4)式起落架。前三點(diǎn)式起落架的主起落架在后，轉(zhuǎn)向輪在前。而后三點(diǎn)起落架的主起落架在前，轉(zhuǎn)

4、向輪在后。兩者各有優(yōu)缺點(diǎn):前三點(diǎn)起落架的優(yōu)點(diǎn)是起飛滑跑時(shí)的方向穩(wěn)定性較好，起飛動(dòng)作柔和，但其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜且重量稍大，而且降落技術(shù)有一定難度;后三點(diǎn)式起落架的結(jié)構(gòu)簡單且重量相對較輕，但起飛潛跑時(shí)的穩(wěn)定性不及前者。6 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)起落架根據(jù)安裝方式可分為固定式（見圖3-5）和收放式（見圖3-6）。一般簡單的固定翼無人機(jī)為了簡化起落架結(jié)構(gòu)、減輕重量和降低成本會(huì)使用固定式起落架，起落架要安裝在機(jī)身或機(jī)翼比較堅(jiān)固的部位。有的固定翼無人機(jī)為了減小空中飛行的阻力，或者是出于仿真的要求會(huì)將起落架設(shè)計(jì)成可收放的形式，起飛和降落時(shí)打開，空中飛行時(shí)收到機(jī)翼或機(jī)身的內(nèi)部（見圖3-7）。3.1.1 固定翼無人機(jī)

5、常用專業(yè)術(shù)語 7 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)3.1.1 固定翼無人機(jī)常用專業(yè)術(shù)語 有些固定翼無人機(jī)由于起飛場地的原因還會(huì)采用其他形式的起落架，如水上飛機(jī)的浮筒式（見圖3-8）或靶機(jī)的滑撬式起落架（見圖3-9）等等。8 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)3.1.1 固定翼無人機(jī)常用專業(yè)術(shù)語 (8)翼型翼型:機(jī)翼的剖面形狀，是機(jī)翼產(chǎn)生升力的根本原因。不同的翼型產(chǎn)生的效果是不同的，因此不同性能和用途的模型飛機(jī)選用的翼型也各不相同，并不是產(chǎn)生的開力越大的翼型就越好。 (9)前緣前緣:機(jī)翼前部的邊緣。前緣的豐滿度是以圓半徑衡量的，前緣半徑越大，前緣外形就越圓滑，具有這樣前緣的翼型不容易失速，但飛行阻力也更大。 (10)后緣

6、后緣:機(jī)翼后部的邊緣。后緣尖銳的翼型效率較高，但一般考慮到實(shí)用性，后緣太薄容易損傷，因此大部分模型飛機(jī)后緣要保持一定的厚度。 (11)翼尖翼尖:機(jī)翼兩端的邊緣。 (12)翼根翼根:機(jī)翼中央的部位或者是單邊機(jī)翼的根部。 (13)翼弦翼弦:機(jī)翼前緣到后緣的連線。它主要對固定翼的設(shè)計(jì)和測量有實(shí)際意義。 (14)翼展翼展:兩翼尖之間的距離。翼展是衡量一架飛機(jī)大小的重要數(shù)據(jù)，因?yàn)橐话隳Ｐ惋w機(jī)的幾何尺寸都是和翼展呈一定的比例，所以了解了翼展的數(shù)據(jù)也就能粗略估算出模型飛機(jī)其他的數(shù)據(jù)了。 (15)機(jī)長機(jī)長:機(jī)身的總長度。對于模型飛機(jī)來說，機(jī)身長度有時(shí)并不明確，這主要在于機(jī)長是否包含了螺旋槳整流罩的尺寸，因?yàn)槁?/p>

7、旋槳整流罩對飛行性能的影響不是很大，因此要想了解機(jī)身具體尺寸時(shí)需要依據(jù)圖樣或進(jìn)行實(shí)測。9 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)3.1.1 固定翼無人機(jī)常用專業(yè)術(shù)語 (16)升力升力:機(jī)翼在空氣中快速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的向上舉升的力，升力克服了模型飛機(jī)在飛行中的自身重力。(17)重心重心:模型飛機(jī)重量的集中點(diǎn)。(18)壓力中心壓力中心:機(jī)翼升力的集中點(diǎn)。壓力中心和重心在垂直位置上重合的時(shí)候，模型飛機(jī)處于俯仰平衡狀態(tài);但 模型飛機(jī)的壓力中心的位置并不是固定不變的，一般情況下，模型飛機(jī)在抬頭爬升時(shí)飛行迎角加大壓力中心前移:模型飛機(jī)在俯沖時(shí)飛行迎角減小，壓力中心后移。(19)上反角上反角:機(jī)翼上翹的角度。上反角的大小直接影響

8、著模型飛機(jī)的橫側(cè)穩(wěn)定性。正常范圍內(nèi)，上反角越大模型飛機(jī)的橫側(cè)穩(wěn)定性越好，反之則越美因此，一般要求穩(wěn)定性較好的自由飛類模型飛機(jī)和遙控模型教練機(jī)的上反角都較大，而要求操縱性好的遙控特技飛機(jī)上反角都較小。 上反角的樣式比較多(見圖3-10)，常見的有單折上反角、雙折上反角、三折上反后角、弧形上反角等。單折上反角結(jié)構(gòu)最簡單，但提供的橫側(cè)穩(wěn)定性相對較差;雙折上反角橫側(cè)穩(wěn)定性最好，但升力損失的也越大;上反角折數(shù)越多綜合效果越好，既兼顧了穩(wěn)定性也兼顧了升力效率，但是制作比較復(fù)雜，容易增加模型飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量。10 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)3.1.1 固定翼無人機(jī)常用專業(yè)術(shù)語 (20)后掠角后掠角:機(jī)翼向后傾斜的角

9、度。后掠角對橫側(cè)穩(wěn)定性有一定影響。(21)安裝角機(jī)翼安裝在機(jī)身上，翼弦和機(jī)身軸線保持的夾角。(22)迎角迎角:飛行中翼弦和相對氣流的夾角。(23)副翼副翼:機(jī)翼后緣外側(cè)的活動(dòng)舵面，控制飛機(jī)的橫側(cè)動(dòng)作。(24)方向舵方向舵:垂直尾翼后緣的活動(dòng)舵面，控制飛機(jī)的方向動(dòng)作。(25)升降舵升降舵:水平尾翼后緣的活動(dòng)舵面，控制飛機(jī)的俯仰動(dòng)作。(26)飛行重量飛行重量:飛機(jī)起飛時(shí)的自身重量。最大飛行重量指模型飛機(jī)加滿油時(shí)的重量。(27)尾力臂尾力臂:重心到水平尾翼前1/4翼弦的距離。尾力臂的長短對模型飛機(jī)的俯仰穩(wěn)定性和方向穩(wěn)定性都有重要影響。尾力臂越長俯仰穩(wěn)定性和方向穩(wěn)定性就越好，模型飛機(jī)飛行時(shí)就越穩(wěn)定，反

10、之則越差。11 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)(28)襟翼襟翼:襟翼是機(jī)翼前后緣的活動(dòng)舵面，通過改變張開的角度來改變機(jī)翼的升力。真飛機(jī)的襟翼形式有很多種，但有些結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。模型飛機(jī)的襟翼般只使用簡單的后襟翼，通常安放在后緣內(nèi)側(cè)靠近翼根處（見圖3-11）。由于靠近副翼很容被認(rèn)為是副翼的一部分，但襟翼的兩個(gè)舵面較寬而且動(dòng)作時(shí)方向是一致的，而副翼的兩個(gè)舵面動(dòng)作是相反的。有些固定翼的遙控設(shè)備功能較多，可以利用電子程序使副翼兼顧襟翼的功能，而不需要單獨(dú)的襟翼。 (29)右拉角右拉角:通常發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋槳逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這就會(huì)對機(jī)身產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針的反扭力，會(huì)造成 飛機(jī)橫滾偏轉(zhuǎn)，將發(fā)動(dòng)機(jī)向右偏置一定角度就能克服反扭力。

11、 (30)下拉角下拉角:飛機(jī)升力源于翼型，但升力過大會(huì)使飛機(jī)在飛行過程不斷抬頭上升，最終失速墜機(jī)。 將發(fā)動(dòng)機(jī)向下偏置一定角度可消去多余升力。3.1.1 固定翼無人機(jī)常用專業(yè)術(shù)語 12 目 錄3.1固定翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)3.2多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)3.3變體無人機(jī)結(jié)構(gòu)3.4飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求13 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)3.2多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu) 多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)多旋翼的組成可以說既簡單又復(fù)雜。說它簡單是因?yàn)槎嘈硗ǔＳ蓹C(jī)架、動(dòng)力系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)等幾個(gè)高度模塊化的部分組成。這些組成部分可以看作人的器官，其中機(jī)架對應(yīng)人的軀干，承載著其他硬件;動(dòng)力系統(tǒng)是人的手腳，由心臟和血管驅(qū)動(dòng)，為多旋翼提供動(dòng)力;指揮控制系統(tǒng)是

12、人的感覺器官、神經(jīng)和大腦，控制動(dòng)力系統(tǒng)來完成任務(wù)。另一方面，由于不同部件之間不是相互獨(dú)立而是相互約束的，盡管可以有多種組合方式，但只有很少的組合可以保證多旋翼工作，因此多旋翼的組成是復(fù)雜的。如果設(shè)計(jì)者沒有深入了解各部件的工作原理而盲目組裝，那么多旋翼的性能可能很差，甚至完全無法正常工作。因此，了解各部件的基本原理以及它們之間的連接與約束關(guān)系是非常必要的。本節(jié)主要回答以下問題:多旋翼由哪些基本部件組成？多旋翼由哪些基本部件組成？本節(jié)包括三部分，即機(jī)架、動(dòng)力系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)。每部分將從對應(yīng)功能、工作原理和關(guān)鍵參數(shù)等方面敘述。14 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu) 總體介紹為了讓讀者對多旋翼有更直觀的認(rèn)識(shí)，圖

13、3-12和圖3-13比較詳細(xì)地展示了多旋翼系統(tǒng)各部分的組成和連接關(guān)系。多旋翼系統(tǒng)由機(jī)架、動(dòng)力系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)組成，其中指揮控制系統(tǒng)由遙控器、自動(dòng)駕駛儀(簡稱為自駕儀，也稱為飛行控制器或飛控)、GPS接收機(jī)和地面站等部件組成(如圖3-12所示)。圖3-13更詳細(xì)地展示了動(dòng)力系統(tǒng)與指揮控制系統(tǒng)的基本組成和連接關(guān)系。圖3-14為多旋翼系統(tǒng)的整體組成結(jié)構(gòu)，也是本節(jié)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)框圖。3.2.1 總體介紹 15 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)機(jī)架機(jī)架常規(guī)多旋翼的機(jī)架通常只包括機(jī)身和起落架。為了覆蓋所有機(jī)型，本節(jié)將涵道也視為機(jī)架的一部分。機(jī)身機(jī)身：1.1.功能功能機(jī)身是承載多旋翼所有設(shè)備的平臺(tái)。多旋翼的安全性、實(shí)用性

14、以及續(xù)航性能都與機(jī)身的布局密切相關(guān)。因此在設(shè)計(jì)多旋翼時(shí)，機(jī)身的尺寸、形狀、材料、強(qiáng)度和重量等因素都應(yīng)該仔細(xì)考慮。2.2.參數(shù)參數(shù)(1)重量機(jī)身的重量主要取決于其尺寸和材料。由于在相同螺旋槳拉力(也有文獻(xiàn)稱之為升力或推力)下，機(jī)身越輕意味著剩余載重能力越大，因此在保證性能的前提下，機(jī)身重量應(yīng)盡量輕。(2)布局常見的布局包括三旋翼、四旋翼、六旋翼和八旋翼。圖3-15為開源自駕儀支持的些多旋翼布局。 3.2.2 機(jī)架 16 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)機(jī)身布局：機(jī)身布局：1.1.常規(guī)常規(guī)(交叉交叉)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)以四旋翼為例，常規(guī)結(jié)構(gòu)的四旋翼飛行器采用四個(gè)旋翼作為直接動(dòng)力源，兩根硬桿垂直交叉于中心，旋翼對稱分布在

15、四個(gè)機(jī)臂末端，而機(jī)身中間的空間一般用于放置自駕儀以及其他外部設(shè)備。如圖3-16所示，四旋翼按機(jī)頭與機(jī)架的角度關(guān)系可分為十字型和X字型結(jié)構(gòu)。X字型相比十字型具有更高的機(jī)動(dòng)性(有更多的旋翼參與俯仰和滾轉(zhuǎn)姿態(tài)控制)，而且可以有效減少機(jī)臂以及旋翼對云臺(tái)視野的遮擋，所以目前X字型結(jié)構(gòu)更流行。2.2.環(huán)形布局環(huán)形布局環(huán)形布局的基本外形如圖3-17所示。其機(jī)架是一個(gè)整體，與傳統(tǒng)交叉型機(jī)架相比，剛性更大，更有助于減小飛行時(shí)電機(jī)與螺旋槳所產(chǎn)生的振動(dòng)。作為代價(jià)，環(huán)形布局會(huì)增加機(jī)身體積和重量，在一定程度上降低多旋翼的機(jī)動(dòng)性。 3.2.2 機(jī)架 17 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu) 3.2.2 機(jī)架 3.3.共軸雙槳形式布局共

16、軸雙槳形式布局目前最常見的旋翼安裝形式是在每個(gè)機(jī)臂末端安裝一個(gè)螺旋槳，也叫做平鋪形式或常規(guī)形式。但是，有時(shí)需要在不增加多旋翼的整體尺寸前提下，通過增加螺旋槳的數(shù)量來獲得更大的載重能力，就可以采用共軸雙槳形式(如圖3-18所示，機(jī)臂末端上下并排安裝兩個(gè)槳)。由于上下旋翼之間存在氣流干擾，共軸雙槳形式會(huì)降低單個(gè)螺旋槳的效率。部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示，上下兩個(gè)槳的總效率大約相當(dāng)于平鋪形式下的1.6個(gè)槳的效率。但是我們?nèi)匀豢梢圆捎眯﹥?yōu)化手段在一定程度上提高共軸雙槳效率，如上下采用不同尺寸的電機(jī)和螺旋槳的組合。18 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)(3)軸距軸距是用于衡量多旋翼尺寸的重要參數(shù)，通常被定義為電機(jī)軸圍成的外接圓周的

17、直徑(單位:mm)。如圖3-19所示，通常情況下，軸距即為對角線上的兩電機(jī)軸心的距離。軸距的大小限定了螺旋槳的尺寸上限，從而限定了螺旋槳能產(chǎn)生的最大拉力，進(jìn)而決定了多旋翼的載重能力。 (4)材料表3-1列出了幾種材料的特性?？梢钥闯?碳纖維密度小，剛度和強(qiáng)度都較大，但加工困難，價(jià)格也較貴，因此該材料多用于需要較大承重的商業(yè)級(jí)多旋翼。相對地，塑料的密度小、易加工且價(jià)格便宜，但剛度和強(qiáng)度較小，因此該材料多用于玩具或小型航模。 3.2.2 機(jī)架19 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)起落架起落架：圖3-20為多旋翼起落架，其功能包括以下幾點(diǎn)：在起飛與降落時(shí)支撐多旋翼并保持機(jī)身水平平衡。保證旋翼與地面之間有足夠的安

18、全距離，避免螺旋槳與地面發(fā)生碰撞。減弱起飛和降落時(shí)的地效(下洗氣流沖擊地面產(chǎn)生的氣流干擾)。消耗和吸收多旋翼在著陸時(shí)的沖擊能量。涵道涵道：1.1.功能功能除了保護(hù)槳葉和保證人身安全外，涵道還可以提高拉力效率和減少噪聲。如圖3-21所示，帶涵道多旋翼的拉力由兩部分組成，即:螺旋槳本身產(chǎn)生的拉力和涵道產(chǎn)生的附加拉力。 3.2.2 機(jī)架20 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)2.2.工作原理工作原理 根據(jù)伯努利原理，當(dāng)螺旋槳工作時(shí)，進(jìn)風(fēng)口內(nèi)壁空氣速度快靜壓小，外壁流速慢靜壓大，因此涵道能產(chǎn)生附加拉力。根據(jù)上述原理，設(shè)計(jì)者還可以通過改變涵道的橫截面來改變流速和壓強(qiáng)，從而改變拉力大小。涵道的存在還可以減小由于螺旋槳高

19、速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的翼尖渦流帶來的損失，因此具備涵道的螺旋槳的效率和最大拉力都可以得到提升，有時(shí)提升效果顯著。 3. 3.參數(shù)參數(shù) 擴(kuò)散段長度和螺旋槳直徑是影響涵道性能的主要參數(shù)，具體的參數(shù)優(yōu)化方法可參考相關(guān)書籍文獻(xiàn)。需要注意的是，盡管涵道可以通過提升效率來增加懸停時(shí)間，但增加涵道的同時(shí)也會(huì)增加多旋翼整機(jī)的重量，從而使懸停時(shí)間縮短，因此最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要權(quán)衡和折中。 3.2.2 機(jī)架21 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu) 3.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)通常包括螺旋槳、電機(jī)、電調(diào)以及電池。動(dòng)力系統(tǒng)是多旋翼最重要的組成部分，決定了多旋翼的主要性能，如懸停時(shí)間、載重能力、飛行速度和飛行距離等。動(dòng)力系統(tǒng)的部

20、件之間需要相互匹配和兼容，否則可能無法正常工作，甚至在某些極端情況下可能突然失效而導(dǎo)致事故發(fā)生。比如，在某些條件下，飛控手的一個(gè)過激操作可能讓電調(diào)電流超過其安全閾值而使電機(jī)停轉(zhuǎn)，這在飛行過程中是非常危險(xiǎn)的。22 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)螺旋槳螺旋槳： 1.1.功能功能 螺旋槳是直接產(chǎn)生多旋翼運(yùn)動(dòng)所需的力和力矩的部件?？紤]到電機(jī)效率會(huì)隨輸出轉(zhuǎn)矩(取決于螺旋槳的型號(hào)尺寸和轉(zhuǎn)速等)變化而變化，合理匹配的螺旋槳可以使電機(jī)工作在更高效的狀態(tài)，從而保證在產(chǎn)生相同拉力情況下消耗更少的能量，進(jìn)而提高續(xù)航時(shí)間。因此，選擇合適的螺旋槳是提高多旋翼性能和效率的一種直接、有效的方法。2.2.參數(shù)參數(shù)(1)型號(hào)一般而言，螺

21、旋槳型號(hào)由4位數(shù)字來描述，如“1045”(或?qū)懽鳌?0 x45”)，數(shù)字“10”代表螺旋槳的直徑(單位:英寸，1英寸25.4mm),后2位數(shù)字“45”表示螺距(也稱為槳距，單位:英寸)，因此，標(biāo)注“APC1045的螺旋槳表示其品牌是APC,直徑是10英寸，螺距是4.5英寸。螺旋槳螺距定義為“螺旋槳在一種不能流動(dòng)的介質(zhì)中旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)一圈螺旋槳前進(jìn)的距離”。比如，一個(gè)螺距為21英寸的螺旋槳表示其旋轉(zhuǎn)一圈可前進(jìn)21英寸。 3.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)23 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)(2)弦長弦長的定義如圖3-21所示，由于弦長隨著徑向位置的不同會(huì)有區(qū)別，一般選擇螺旋槳半徑2/3處的弦長作為螺旋槳標(biāo)稱弦長。3)轉(zhuǎn)動(dòng)慣

22、量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是描述一個(gè)剛體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣性的最度，其計(jì)算方式是剛體上每個(gè)點(diǎn)質(zhì)量與其到剛體轉(zhuǎn)軸距離的平方乘積的總和。較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以提升電機(jī)的響應(yīng)速度，從而提升多旋翼的控制效率和性能。(4)槳葉數(shù)典型的具有不同槳葉的螺旋槳如圖3-22所示。實(shí)驗(yàn)表明，對于特定的螺旋槳，槳葉數(shù)增加時(shí)，其最大拉力會(huì)增加，但效率稍有降低。二葉槳的效率會(huì)比三葉槳稍高些?？紤]到在最大拉力相同的前提下，二葉槳直徑要比三葉槳直徑大，因此雖然三葉槳效率稍有降低，但是隨著槳的尺寸減小，多旋翼可以做到尺寸更小、重量更輕，在某些情況下反而能延長續(xù)航時(shí)間。 3.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)24 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu) 3.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)(5)安全轉(zhuǎn)速

23、多旋翼的螺旋槳通常具有一定的柔性， 當(dāng)轉(zhuǎn)速超過一定值時(shí)， 螺旋槳可能發(fā)生形變導(dǎo)致效率降低。通常在計(jì)算最大安全轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)考慮各種極端情況。APC網(wǎng)站上給出了常規(guī)螺旋槳的最大槳速經(jīng)驗(yàn)公式為105000 轉(zhuǎn)每分鐘(RPM) /螺旋槳直徑(英寸)。以10英寸的螺旋槳為例，其常規(guī)系列槳型最大速度可達(dá)10500RPM,而慢飛(SL)系列槳型的最大槳速只有65000RPM/槳直徑(英寸)。(6)螺旋槳力效力效，也被稱為效率(單位: g/W), 是評估能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。螺旋槳力效的定義如下:機(jī)械功率(單位: W) = 扭矩(單位: N.m) x螺旋槳轉(zhuǎn)速(單位: rad/s)力效(單位: g/

24、W) = 拉力(單位: g)/ 機(jī)械功率(單位: W)25 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)(7)材料制作螺旋槳的材料包括碳纖維、塑料、木頭等，它們的密度、效率以及成本差異較大，用途也不同。例如，碳纖維螺旋槳的成本幾乎是塑料螺旋槳的2倍，但有以下優(yōu)勢:剛性高，因此振動(dòng)和噪聲小;重量更輕，強(qiáng)度更高;更適合高KV值的電機(jī)。然而當(dāng)多旋翼墜機(jī)時(shí)，剛性高的槳葉會(huì)使電機(jī)受到更大的沖擊，同時(shí)鋒利的槳葉就像高速旋轉(zhuǎn)的刀片，對周圍人的人身安全產(chǎn)生極大的威脅，存在安全隱患。木質(zhì)螺旋槳更笨重、更貴，適用于制作有較大載重能力的多旋翼。 3.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)26 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)3.3.靜平衡和動(dòng)平衡靜平衡和動(dòng)平衡 實(shí)現(xiàn)螺旋槳

25、的動(dòng)平衡與靜平衡的主要目的是，減小螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，因槳葉質(zhì)量或形狀分布不對稱而對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生非均勻離心力，這也是多旋翼振動(dòng)產(chǎn)生的主要原因。其中，螺旋槳靜不平衡出現(xiàn)在其重心(重量中心)與旋轉(zhuǎn)軸心(幾何中心)不重合時(shí)，動(dòng)不平衡出現(xiàn)在其重心與慣性重心不重合時(shí)(槳葉上每個(gè)微小質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的離心慣性力不能相互抵消)。螺旋槳不平衡作用力不僅會(huì)影響傳感器測量，還會(huì)加快電機(jī)損壞，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致軸承發(fā)生變形并增加功率消耗，從而增加故障概率，縮短多旋翼的壽命。除此之外，不平衡的螺旋槳產(chǎn)生的噪音要高于平衡的螺旋槳。圖3-23所示的螺旋槳平衡器是用來檢測螺旋槳的靜平衡的裝置。通常情況下，動(dòng)平衡的檢測比較復(fù)雜，需要用額外的傳感器

26、來記錄數(shù)據(jù)，而視頻7介紹了一種不需要傳感器的簡單檢測方法。當(dāng)螺旋槳出現(xiàn)不平衡時(shí)，可以在輕的槳葉上貼透明膠帶增加其重量，或用砂紙打磨偏重的螺旋槳平面(非邊緣)來實(shí)現(xiàn)平衡。 3.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)27 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)電機(jī)電機(jī)：1.1.功能功能由于無刷直流電機(jī)具有多種優(yōu)勢，如效率高、便于小型化、制造成本低等，多旋翼選用的電機(jī)以無刷直流電機(jī)為主，其主要作用是將電池存儲(chǔ)的電能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置，無刷直流電機(jī)可以分為外轉(zhuǎn)子電機(jī)和內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)(如圖3-24所示)。與內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)相比，外轉(zhuǎn)子電機(jī)可以提供更大的力矩，因此更容易驅(qū)動(dòng)大螺旋槳而獲得更高效率。外轉(zhuǎn)子電機(jī)的速度更穩(wěn)定，因此適用于

27、多旋翼和其他飛行器。 3.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)28 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)2.2.工作原理工作原理電調(diào)在接收到自駕儀發(fā)送的PWM (Pulse Width Modulated,脈沖寬度調(diào)試)控制信號(hào)后，經(jīng)過如圖3-25所示的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行放大，再送至逆變器各功率管，沿著一定次序輸送給電機(jī)定子上的各個(gè)繞組，對繞組上電流進(jìn)行換流，從而在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場。無刷直流電機(jī)的主電路主要有星形連接三相半橋式、星形連接三相橋式和角形連接三相橋式三種形式。其中，星形連接三相橋式主電路應(yīng)用最多。位置檢測器的三個(gè)輸出信號(hào)通過邏輯電路控制這些開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式有兩種:二二導(dǎo)通方式和三二導(dǎo)通方式。轉(zhuǎn)子每

28、轉(zhuǎn)過60度，逆變器開關(guān)管換流一次，同時(shí)定子磁狀態(tài)改變一次。 電機(jī)有六個(gè)磁狀態(tài)，三相各導(dǎo)通120度。 3.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)29 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)3.3.參數(shù)參數(shù)(1)尺寸電機(jī)的尺寸取決于定子的大小，在型號(hào)名稱中用4位數(shù)字來表示，如“2212”(或?qū)懗伞?2x12”)的前2位數(shù)字“22”代表定子直徑(單位: mm),后2位數(shù)字“12”代表定子高度(單位: mm)。因此“2212”電機(jī)表示電機(jī)定子直徑是22mm、定子高度為12mm。也就是說，前2位數(shù)字越大，電機(jī)越粗，后2位數(shù)字越大，電機(jī)越高。高大粗壯的電機(jī)，功率更大，適合做更大的多旋翼。(2)電機(jī)的KV值無刷直流電機(jī)的KV值(單位RPMV,轉(zhuǎn)每

29、分/伏)是指在空載(不安裝螺旋槳)情況下，外加1V電壓得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速值(單位: RPM)。比如，1000KV值意味著電機(jī)空載時(shí),當(dāng)施加電壓為1V時(shí)，電機(jī)空載轉(zhuǎn)速將達(dá)到1000RPM。KV值小的電機(jī)的繞線更多、更密,能承受更大的功率，所以能產(chǎn)生更大的力矩去驅(qū)動(dòng)更大的螺旋槳。相對而言，大KV值的電機(jī)產(chǎn)生的力矩小，適合驅(qū)動(dòng)更小的電機(jī)。(3)空載電流和電壓在空載試驗(yàn)中，對電機(jī)施加空載電壓(通常為10V或24V)時(shí)測得的電機(jī)電流被稱為空載電流。 3.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)30 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)(4)最大電流/功率最大電流/功率是指電機(jī)正常工作情況下能承受的最大電流或者功率。例如，最大連續(xù)電流“25A/30

30、s”代表電機(jī)最大可在25A的持續(xù)電流下安全工作，超過這個(gè)電流闕值30s后，電機(jī)可能被燒壞。最大功率定義與其類似。(5)內(nèi)阻電機(jī)電樞本身存在內(nèi)阻，雖然其值很小，但是考慮到電機(jī)電流通常可以達(dá)到幾十安培，所以其內(nèi)陽不可忽略。內(nèi)阻讓部分電能轉(zhuǎn)化成熱能，使電機(jī)發(fā)熱，從而使電機(jī)效率降低。(6)電機(jī)效率電機(jī)效率是評估性能的一個(gè)重要參數(shù)，其定義如下:電功率(單位: W) =電機(jī)輸入電壓(單位: V) x有效電流(單位: A)電機(jī)效率=機(jī)械功率(單位: W)/電功率(單位: W) 3.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)31 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)(7)總力效動(dòng)力系統(tǒng)的整體性能取決于電機(jī)和螺旋槳兩者的匹配程度。這里用總力效來表示兩者

31、組合的整體效率，其定義和計(jì)算方式如下:總力效(單位: g/W) =螺旋槳拉力(單位: g) /輸入電功率(單位: W)=螺旋槳力效x電機(jī)效率由于螺旋槳力效和電機(jī)效率都不是常數(shù)，因此總力效會(huì)隨著運(yùn)行狀態(tài)變化而變化?？偭πб话阌呻姍C(jī)生產(chǎn)廠商給出，以一個(gè)電機(jī)為例，其在不同狀態(tài)下的總力效如圖3-26所示，這里的“效率(g/w)”就是總力效。這些數(shù)據(jù)可以幫助設(shè)計(jì)者根據(jù)需求選擇合適的電機(jī)和螺旋槳。 3.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)32 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)電調(diào)電調(diào)：1.1.功能功能電調(diào)的基本功能是根據(jù)接收自駕儀傳輸?shù)腜WM信號(hào)來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。由于自駕儀輸出的PWM信號(hào)非常微弱,無法直接驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)，因此需要電調(diào)對

32、信號(hào)進(jìn)行處理和放大，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)。一些電調(diào)還可以作為制動(dòng)器或者穩(wěn)壓電源，給遙控器接收機(jī)和舵機(jī)供電。與一般的電調(diào)不同，無刷電調(diào)還可以充當(dāng)一個(gè)換相器，把多旋翼上的直流電源轉(zhuǎn)化為可以供給無刷直流電機(jī)使用的三相交流電源。除此之外，它還有其他功能，如電池保護(hù)和啟動(dòng)保護(hù)等。圖3-27展示了型號(hào)為Xaircraft ESC-S20A的多旋翼無刷電調(diào)。 3.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)33 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)2.2.參數(shù)參數(shù)(1)最大持續(xù)/峰值電流 最大持續(xù)電流最大持續(xù)電流和峰值電流峰值電流是無刷電調(diào)最重要的參數(shù)，其常用單位是安培(A),如10A、20A、30A。不同電機(jī)需要配備不同的電調(diào)，不合理的配置會(huì)導(dǎo)致電調(diào)燒壞甚

33、至電機(jī)失效。最大持續(xù)電流是指在正常工作模式下的持續(xù)輸出電流，峰值電流是指電調(diào)能承受的最大瞬時(shí)電流。每個(gè)電調(diào)都會(huì)在型號(hào)上標(biāo)注最大持續(xù)電流，如Hobbywing XRotor 15A。當(dāng)我們挑選電調(diào)時(shí)，要注意留有一定的安全裕度(如20%的安全裕度),以有效避免功率管被燒壞。如50A的電調(diào)般留出10A的安全裕度。(2)電壓范圍 電調(diào)能夠正常工作所允許輸入的電壓范圍也是非常重要的參數(shù)。例如，在電調(diào)說明書上可以看到標(biāo)注“3-4S LiPo”字樣，表示這個(gè)電調(diào)適用于3-4節(jié)電芯串聯(lián)的鋰聚合物電池，也就是說，它正常工作的電壓范圍為11.1-14.8V。(3)內(nèi)阻 電調(diào)都有內(nèi)阻，通過電調(diào)的電流有時(shí)可以達(dá)到幾十

34、安培，所以電調(diào)的發(fā)熱功率不能被忽視。為了減少熱能耗散，電調(diào)的內(nèi)阻應(yīng)當(dāng)盡可能小。 3.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)34 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)(4)刷新頻率 電機(jī)響應(yīng)速度很大程度上依賴于電調(diào)刷新頻率。在多旋翼發(fā)展之前，電調(diào)是專為航模或車模設(shè)計(jì)的。當(dāng)時(shí)伺服電機(jī)的最大工作頻率是50Hz，因此電調(diào)的刷新頻率也定為50Hz。理論上來說，電調(diào)刷新頻率越高，電機(jī)響應(yīng)速度越快。多旋翼需要實(shí)現(xiàn)螺旋槳轉(zhuǎn)速的快速變化來改變拉力大小，所以多旋翼電調(diào)的刷新頻率往往比其他電調(diào)要高。此外，為了保證輸出信號(hào)的平滑性，電調(diào)通常會(huì)在輸入或輸出端加入低通濾波，這在一 定程度上會(huì)降低電調(diào)的響應(yīng)速度。(5)可編程性通過調(diào)整電調(diào)內(nèi)部參數(shù)，我們可以使電

35、調(diào)的性能達(dá)到最優(yōu)。設(shè)置電調(diào)的參數(shù)有3種方法，即:通過編程卡(如圖3-28所示)直接設(shè)置電調(diào)參數(shù);通過連接USB,在計(jì)算機(jī)上設(shè)置電調(diào)參數(shù):通過接收機(jī),用遙控器搖桿設(shè)置電調(diào)參數(shù)?？梢栽O(shè)置的參數(shù)包括:油門行程校準(zhǔn)、低壓保護(hù)閥值設(shè)定、電流限定設(shè)定、剎車模式設(shè)定、油門控制模式、切換時(shí)序設(shè)定.起動(dòng)模式設(shè)定以及PWM模式設(shè)定等。 3.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)35 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)(6)兼容性如果電調(diào)與電機(jī)不兼容，那么電機(jī)很可能發(fā)生堵轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致多旋翼在空中失控墜機(jī)。堵轉(zhuǎn)可能發(fā)生在一些極端情況，而不易被察覺，如多旋翼在進(jìn)行模態(tài)切換時(shí)可能導(dǎo)致控制量變化較大，最終引起大的瞬時(shí)電流而觸發(fā)堵轉(zhuǎn)。3.3.方波驅(qū)動(dòng)和正弦波驅(qū)

36、動(dòng)方波驅(qū)動(dòng)和正弦波驅(qū)動(dòng)(1)方波驅(qū)動(dòng)方波驅(qū)動(dòng)電調(diào)輸出方波信號(hào)，其控制元件工作在開關(guān)狀態(tài)因此具有電路簡單、便宜和容易控制等優(yōu)點(diǎn)。(2)正弦波驅(qū)動(dòng)正弦波驅(qū)動(dòng)電調(diào)輸出正弦波信號(hào)，采用矢量控制。正弦驅(qū)動(dòng)在運(yùn)行平穩(wěn)性、調(diào)速范圍、減振減噪方面優(yōu)于方波驅(qū)動(dòng)。目前可采用光電編碼器、霍爾傳感器或者基于觀測器的方法測量轉(zhuǎn)子角度。因?yàn)槎嘈黼姍C(jī)始終工作在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，所以可以基于電機(jī)模型、電流和電壓等信息觀測出外轉(zhuǎn)子當(dāng)前的電角度，從而進(jìn)行矢量調(diào)制，這樣可以節(jié)約成本。 3.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)36 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)電池電池：1.1.功能功能電池主要為動(dòng)力,系統(tǒng)提供能量。圖3-29是一個(gè)小型多旋翼的電池。目前的多旋翼面

37、臨的常見問題是續(xù)航時(shí)間不足，而續(xù)航時(shí)間嚴(yán)重依賴電池容量。目前，市面上的電池種類很多，其中鋰電池和鎳氫電池以其優(yōu)越的性能和低廉的價(jià)格脫穎而出，成為最受人們青睞的動(dòng)力電池。 3.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)37 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)2.2.參數(shù)參數(shù) 電池的基本參數(shù)包括電壓、容量、內(nèi)阻和放電倍率。航模專用鋰聚合物電池(LiPo電池)單節(jié)電芯的標(biāo)稱電壓是3.7V,充滿電可達(dá)4.2V。為了獲得足夠的電壓和容量，廠商通常將電芯串聯(lián)/并聯(lián)在一起組成 電池組。在實(shí)際過程中，電池電壓會(huì)隨著電池放電而逐漸降低。研究表明，在某范圍內(nèi)，電池的輸出電壓與剩余容量成線性關(guān)系。而在電池放電后期，電池電壓急速下降，這會(huì)導(dǎo)致多旋翼的拉力迅

38、速減小。因此為了保證多旋翼可以安全返航，設(shè)置一個(gè)電池電壓的安全閾值是非常必要的。除此之外，由于電池電流非常大，內(nèi)阻分壓作用明顯，實(shí)際輸出電壓會(huì)低于標(biāo)稱值。電池過度放電(過放)會(huì)造成電池不可逆轉(zhuǎn)的損壞，因此使用時(shí)應(yīng)該特別注意。(1)電池連接 電芯串聯(lián)可以得到更大的電壓而電池容量保持不變，電芯并聯(lián)可以獲得更大容量而電壓不變。通過電芯合理的串/并聯(lián)組合，可以得到滿足實(shí)際飛行需求的電池組。通常，廠商用字母S (Series)表示電芯的串聯(lián)數(shù)，用字母P (Parallel)表示電芯的并聯(lián)數(shù)。如圖3-30所示，假設(shè)單節(jié)電芯電壓為3.7V,容量為100mAh, 3S1P表示3塊鋰電池串聯(lián)，其總電壓為11.1

39、V,容量仍為100mAh; 2S2P表示4塊鋰電池電芯經(jīng)過兩兩串聯(lián)再并聯(lián)得到，其總電壓為7.4V,容量為200mAh。 3.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)38 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu) 3.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)(2)電池容量 毫安時(shí)(mAh)或安時(shí)(Ah)是常見的用來描述某一個(gè)電池能容納多少電量的單位。5000mAh的電池容量表示電池以5000mA的電流放電可以放電1小時(shí)(對于鋰電池來說，對應(yīng)的電芯電壓從4.2V下降到3.0V)。隨著放電過程的進(jìn)行，放電能力和輸出電壓都會(huì)慢慢降低，因此剩余電池容量并不是關(guān)于放電時(shí)間的嚴(yán)格的線性函數(shù)。在實(shí)際多旋翼飛行過程中，檢測剩余容量是否滿足飛行安全的要求的方法有兩種:一種是檢測電

40、池的電芯電壓，該方法應(yīng)用比較廣泛，可通過傳感器實(shí)時(shí)檢測電池電壓，衡量電池剩余電量大小;另一種是實(shí)時(shí)檢測電池的荷電狀態(tài)值，該方法可實(shí)現(xiàn)性較弱，且相應(yīng)傳感器的使用尚未普及。39 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)(3)放電倍率放電電流的大小常用放電倍率來表示，即放電倍率(單位:C)= 放電電流(單位: mA)/ 容量(單位: mAh)例如，額定容量為100mAh的電池用20mA放電時(shí)，其放電倍率為0.2C.電池放電倍率是對放電快慢的一種量度指標(biāo)。容量為5000mAh且最大放電倍率為20C的電池，其最大放電電流為5000mAx20C= 100A。多旋翼瞬時(shí)消耗的總電流大小不能超過其電池的最大電流限制，否則可能燒壞

41、電池。高放電倍率的電池可以輸出更大的電流，可用于更高功率需求的多旋翼(裝配的電機(jī)數(shù)量更多或者電機(jī)功率更大)。(4)內(nèi)阻電池內(nèi)阻并不是一個(gè)固定值，會(huì)隨著電池狀態(tài)和使用壽命變化而變化。可充電電池最初的內(nèi)阻相對來說比較小，然而經(jīng)過很長一段時(shí)間的使用之后，由于電池里電解質(zhì)溶液的耗散和化學(xué)物質(zhì)活性的降低，電池內(nèi)阻會(huì)逐漸增加。與此同時(shí)，電池電壓也逐漸F降，直到電池不能正常放電，這時(shí)電池就變?yōu)閺U電池了。 3.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)40 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)(5)能量密度能量密度是指在一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中存儲(chǔ)能量的大小，如果按質(zhì)量來判定，般稱之為比能。能量密度和比能的單位分別為瓦時(shí)每千克( Wh/kg)或瓦.時(shí)每

42、升(Wh/L)。由于產(chǎn)品空間(重量)與續(xù)航性能的矛盾，高能量密度的電池更受到人們歡迎。作為一種清潔能源，鋰離子電池正在受到越來越多的關(guān)注，其用途也越來越廣泛。不同化合物的鋰離子電池的能量密度不同，大致為240300Wh/L (是鎳鎘電池的2倍、鎳氫電池的1.5倍)。 3.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)41 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)遙控器和接收機(jī)遙控器和接收機(jī)：1.1.功能功能遙控器(如圖3-31（a）所示)用于發(fā)送飛控手的遙控指令到相應(yīng)的接收機(jī)(也叫做接收器，如圖3-31(b)所示)，接收機(jī)解碼后再傳給自駕儀，從而控制多旋翼做出各種飛行動(dòng)作。遙控器上還提供了一些自定義的設(shè)置項(xiàng)，如油門的正反、搖桿靈敏度大小、舵機(jī)

43、的中立位置調(diào)整.通道的功能定義、飛機(jī)時(shí)間記錄與提醒、撥桿功能設(shè)定等。高級(jí)功能有航?；貍鞯碾姵仉妷弘娏鲾?shù)據(jù)等。目前已有一些開源的遙控器項(xiàng)目，感興趣的讀者可以參閱或htp://arduinore,自已定制專屬的遙控器。 3.2.4 指揮控制系統(tǒng)42 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)2.2.參數(shù)參數(shù)(1)頻率 遙控器與接收機(jī)之間通過無線電波進(jìn)行連接通信，常用的無線電頻率是72MHz和2.4GHz。在2.4GHz頻率應(yīng)用之前，同頻干擾造成事故的概率很高，航模在飛行時(shí)經(jīng)常會(huì)受到來自其他遙控器的信號(hào)干擾。面對越來越大的模型開發(fā)市場，遙控安全問題日益

44、亞峻，2.4GHz遙控器系統(tǒng)很好地解決了遙控安全性等問題。2.4GHz技術(shù)屬于微波領(lǐng)域，最早應(yīng)用于無線音頻傳輸。2.4GHz無線電通信技術(shù)具有如下優(yōu)勢:頻率高，可以自動(dòng)規(guī)劃和設(shè)定頻點(diǎn)，不需要通過更換晶體來設(shè)定頻率;同頻概率小，在多個(gè)遙控設(shè)備近距離同時(shí)工作的情況下，可以自動(dòng)讓頻、跳頻，以避免相互干擾;功耗低，因?yàn)闆]有控制頻率的零件，功耗大大降低;體積小，控制波長很短，所以發(fā)射和接收天線都可以做得很短，從而縮小了遙控設(shè)備的體積;反應(yīng)迅速、控制精度高。盡管2.4GHz遙控設(shè)備可以解決同頻干擾問題，但仍存在一些問題，比如: 2.4GHz微波的直線性很好，換言之衍射性很差，如果在遙控設(shè)備和多旋翼之間有障

45、礙物，控制信號(hào)的表現(xiàn)會(huì)變得很差。因此，發(fā)射天線和接收天線之間應(yīng)該保持開闊，避免存在房屋、倉庫等障礙物。 3.2.4 指揮控制系統(tǒng)43 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu) (2)調(diào)制方式目前常用的調(diào)制方式有兩種: PCM (Pulse-Code Modulation)是指脈沖編碼調(diào)制，又稱為脈碼調(diào)制; PPM (Pulse Position Modulation)是指脈沖位置調(diào)制，又稱為脈位調(diào)制。遙控器發(fā)射端通過電位器的阻值來識(shí)別搖桿位置，并將信息送入編碼電路，隨后編碼電路將其轉(zhuǎn)換成一組脈沖編碼信號(hào)(PPM或PCM)。這組脈沖編碼信號(hào)經(jīng)過高頻調(diào)制電路調(diào)制后，再經(jīng)過天線發(fā)送出去。PCM編碼的優(yōu)點(diǎn)是不僅具有很強(qiáng)的

46、抗干擾性，還可以方便地利用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)各種智能化設(shè)計(jì)。相比PCM, PPM遙控設(shè)備實(shí)現(xiàn)相對簡單，成本較低，但容易受到干擾。(3)通道一個(gè)通道對應(yīng) 一個(gè)獨(dú)立的動(dòng)作，一般遙控器分為六通道;八通道、十通道或者更多。多旋翼在控制過程中需要控制的動(dòng)作通道數(shù)有油門、偏航、俯仰和滾轉(zhuǎn)，所以多旋翼遙控器最少需要四通道遙控器。通常，模態(tài)切換和云臺(tái)控制等也會(huì)占用定的通道數(shù)， 因此推薦使用至少八通道遙控器。 3.2.4 指揮控制系統(tǒng)44 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)(4)模式遙控設(shè)備的模式是指遙控桿對應(yīng)的控制通道的設(shè)置，即遙控桿與多旋翼動(dòng)作的對應(yīng)關(guān)系。例如國內(nèi)常說的“日本手”模式(也稱為右手油門模式)是指左手搖桿控制俯仰

47、和偏航，右手搖桿控制油門和滾轉(zhuǎn)，這種模式更適合操控固定翼;而“美國手”(也稱為左手油門模式)是指左手搖桿控制油門和偏航，右手搖桿控制俯仰和滾轉(zhuǎn),這種模式常在北美和中國等地使用，更適合操控多旋翼。(5)油門通常，遙控器的油門操縱桿不會(huì)自動(dòng)回中，電機(jī)轉(zhuǎn)速與油門指令正相關(guān)，油門桿最低時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)，油門桿最高時(shí)電機(jī)滿轉(zhuǎn)，這種模式被稱為直接式油門控制。另一種模式是，松手后油門會(huì)自動(dòng)回中，油門桿超過中間位置時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，油門桿低于中心位置時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，稱為增量式油門控制。松開或者緊固遙控器油門桿后的彈簧墊片，配合特定的飛控算法，可以實(shí)現(xiàn)兩種油門控制模式的切換。 3.2.4 指揮控制系統(tǒng)45 第 3 章無

48、人機(jī)結(jié)構(gòu)(6)遙控距離遙控器的控制距離受其功率所限。例如，Md-200的有效操控距離可達(dá)1000米。為了增加控制距離，一般需要使用功率放大模塊和天線。自駕儀自駕儀：多旋翼的自駕儀是一個(gè)用于控制多旋翼姿態(tài)、位置和軌跡的飛行控制系統(tǒng)，可以設(shè)置為飛控手實(shí)時(shí)遙控的半自主控制方式，也可以是全自主控制方式。自駕儀具有統(tǒng)一的控制框架，大多采用比例積分微分Proportion-Integral-Derivative,PID)控制器。對于不同多旋翼，我們只需調(diào)整一些參數(shù)即可。 3.2.4 指揮控制系統(tǒng)46 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)1.1. 組成組成 多旋翼自駕儀可分為軟件部分和硬件部分。其中，軟件部分是多旋翼的大腦

49、，用于處理信息和發(fā)送信息。硬件部分一般包括以 下組件。全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS )模塊:主要用于得到多旋翼的全球定位信息。慣性測量單元(Inertial Measurement Unit, IMU):包括三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、電子羅盤(或三軸磁力計(jì))，主要用來得到多旋翼的姿態(tài)信息。市面上的六軸IMU包含三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀，九軸IMU包含三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀和三軸磁力計(jì)，十軸IMU則是在九軸IMU基礎(chǔ)上多了氣壓計(jì)這一一軸。高度傳感器:主要包括氣壓計(jì)和超聲波測量模塊，分別用來測量多旋翼絕對高度(海拔高度)和相對高度(距離地面高度)信息

50、。微型計(jì)算機(jī):用于接收信息、運(yùn)行算法和產(chǎn)生控制命令的平臺(tái)。接口:連接微型計(jì)算機(jī)與傳感器、電調(diào)和遙控設(shè)備等其他硬件的橋梁。 3.2.4 指揮控制系統(tǒng)47 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)2.2.功能功能(1)感知感知就是解決“多旋翼在哪兒”的問題。GPS位置信息、慣性測量單元信息和測高信息都存在很多噪聲，而且它們的輸出刷新頻率也不一樣， 如GPS接收機(jī)的刷新頻率只有5Hz,而加速度計(jì)的刷新頻率可以達(dá)到1000Hz。如何融合各傳感器的數(shù)據(jù)，發(fā)揮各自傳感器的優(yōu)勢，得到更準(zhǔn)確的位置和姿態(tài)信息，是自駕儀飛控要做的首要的事情。(2)控制控制就是解決“多旋翼怎么飛到期望位置”的問題。首先得到準(zhǔn)確的位置和姿態(tài)信息，再根據(jù)

51、具體的任務(wù)通過飛控算法計(jì)算出控制量并傳輸給電調(diào)，進(jìn)而控制電機(jī)和槳葉的旋轉(zhuǎn)來獲取不同的姿態(tài)和速度，最終抵達(dá)期望位置。(3)決策決策就是解決“多旋翼應(yīng)該去哪兒”的問題。決策包括任務(wù)決策和失效保護(hù)。圖3-32展示了一些多旋翼開源自駕儀飛控實(shí)物板。 3.2.4 指揮控制系統(tǒng)48 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu) 3.2.4 指揮控制系統(tǒng)地面站地面站：1.1.功能功能軟件是地面站的一個(gè)重要組成部分。通過地面站軟件，操作員可以用鼠標(biāo)、鍵盤、按鈕和操控手柄等外設(shè)來與多旋翼自駕儀進(jìn)行交互。這樣就可以在任務(wù)開始前預(yù)先規(guī)劃好本次任務(wù)的航跡，對多旋翼的飛行過程中的飛行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和修改任務(wù)設(shè)置，以干預(yù)多旋翼的飛行。任務(wù)完成

52、后，還可以對任務(wù)的執(zhí)行記錄進(jìn)行回放并分析。49 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)2.2.開源地面站開源地面站目前，互聯(lián)網(wǎng)上存在著不少開源地面站軟件項(xiàng)目可供免費(fèi)參考和使用。圖3-33列舉了一些地面站軟件的截圖。相關(guān)項(xiàng)目可以在相應(yīng)自駕儀網(wǎng)站上查看并下載。 3.2.4 指揮控制系統(tǒng)50 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)2.2.參數(shù)參數(shù)數(shù)傳電臺(tái)的主要參數(shù)包括:頻率、傳輸距離、傳輸速率。3.3.通信協(xié)議通信協(xié)議通信協(xié)議又稱為通訊協(xié)議或通信規(guī)程，是指通信雙方對數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則的一種必須共同遵守的約定，包括對數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳輸速率、傳輸步驟、檢糾錯(cuò)方式以及控制字符定義等問題做出統(tǒng)一規(guī)定。通信協(xié)議的制定有利于地面站和自駕儀的分離。

53、按照同樣的通信協(xié)議，各地面站軟件就可以通用，可以兼容不同的自駕儀。MAVLink通信協(xié)議是一個(gè)為微型飛行器設(shè)計(jì)的非常輕巧的、只由頭文件構(gòu)成的信息編組庫。MAVLink基于GNU計(jì)劃的LGPL (Lesser General Public License)開源協(xié)議，可以通過串口非常高效地封裝C語言的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)包發(fā)送至地面控制站，被PX4、APM和Parr AR Drone等平臺(tái)廣泛測試。當(dāng)然還有其他協(xié)議，如Opepilot自駕儀采用了UAVTalk協(xié)議與地面站進(jìn)行通信。 3.2.4 指揮控制系統(tǒng)51 目 錄3.1固定翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)3.2多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)3.3變體無人機(jī)結(jié)構(gòu)3.4飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

54、的基本要求52 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)變體無人機(jī)結(jié)構(gòu)前面介紹的是常見無人機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，本節(jié)將介紹仿生學(xué)的飛行器。世界上絕大多數(shù)生物如昆蟲、鳥類和蝙蝠的翅膀都能夠變形，可不斷調(diào)整形態(tài)、彎度或者扭轉(zhuǎn)度。事實(shí)上，可能有人會(huì)說變體翅膀在普通大小的飛行動(dòng)物身上是普遍的，而飛機(jī)工程師所青睞的剛性翅膀只為大型動(dòng)物所特有。需要注意的是，世界上最大的飛行動(dòng)物是已滅絕的恐龍(翼龍)，其膜翼目前估計(jì)翼展可達(dá)10m(Witton and naish,2008)，與一架輕型飛機(jī)相當(dāng)。由此可見當(dāng)前所關(guān)注的自然界各種不同長度的變體翅膀?qū)︼w機(jī)工程師來說是有啟發(fā)的。鳥類曾經(jīng)成就了萊特飛行器的變彎度機(jī)翼設(shè)計(jì)，現(xiàn)在自然界又為飛機(jī)工程

55、師設(shè)計(jì)新一代的變體機(jī)翼提供了豐富的靈感源泉。 3.3 變體無人機(jī)結(jié)構(gòu)53 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)微型航空器(MAV),是一種相對新穎的飛行器，在過去的15年中得益于微電子工業(yè)的日益進(jìn)步以及常規(guī)航空科學(xué)的不斷探索而成為可能。微型航空器是種最大尺寸為厘米級(jí)的航空器。DARPA的McMichael在20世紀(jì)90年代著手對微型航空器開展挑戰(zhàn)，目標(biāo)是制造和放飛一支最大尺寸不超過15cm的微型航空器。Shyy等在1999年對固定翼及撲翼微型航空器空氣動(dòng)力學(xué)方面有關(guān)的議題進(jìn)行了評論。航空環(huán)境公司的“黑寡婦”微型航空器作為剛性翼平臺(tái)的典型，與佛羅里達(dá)大學(xué)的研究人員發(fā)明的柔性翼平臺(tái)一起實(shí)現(xiàn)了挑戰(zhàn)的目標(biāo),并且開啟了

56、在過去10年或者更長時(shí)間內(nèi)對這種飛行器的探索活動(dòng)。微型航空器具有小外形尺寸(10cm或者更小級(jí)別)、低飛行速度(10m/s級(jí)別)和低雷諾數(shù)(1000100000級(jí)別)的特征，在傳統(tǒng)的航空航天文獻(xiàn)中對這樣的問題并沒有進(jìn)行很好的陳述。除了典型愛好者制造和放飛超小型飛行器的興趣之外，實(shí)用主義者還需要發(fā)展用于增加態(tài)勢感知(尤其是城區(qū)環(huán)境)、遠(yuǎn)程識(shí)別能力、山區(qū)偵察、精確載荷投放以及營救救助的微型航空器。微型航空器能夠?yàn)橛脩籼峁┮粋€(gè)以往從未經(jīng)歷過的用于態(tài)勢感知的“鳥瞰”視角。 3.3.1 微型航空器的仿生學(xué)變形54 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu) 對微型航空器的開發(fā)開始由關(guān)注空天飛行器的小型化轉(zhuǎn)移到以往從未考慮到使

57、用目的的尺寸越來越小的飛行器上。如圖3-34展示了近年來研制出的幾中微型航空器。微型航空器可以被看作無人航空器(UAV)的子類。近年來無人航空器借助傳統(tǒng)航空航天技術(shù)的發(fā)展取得了長足進(jìn)步。但是，在大型無人航空器的開發(fā)中能夠很好地得以理解和使用的科技和工程法則并不是隨尺寸的減小成線性或者成比例地改變。例如，一架尺寸為大型無人航空器- 半大小的微型航空器在進(jìn)行比例縮小的情況下，其質(zhì)量比全尺寸的無人航空器小88%，慣性矩小97%。微型航空器產(chǎn)生的氣動(dòng)載荷比稍大的無人航空器要小很多，導(dǎo)致了微型航空器采用了重量很輕的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)易受到諸如陣風(fēng)干擾的影響，而大型無人航空器則影響不大。 3.3.1 微型航空

58、器的仿生學(xué)變形55 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu) 微型航空器的巨大優(yōu)勢是其小的尺寸帶來的結(jié)構(gòu)載荷。因此，在這個(gè)尺寸級(jí)別上進(jìn)行變形是更為可行的，但是挑戰(zhàn)仍在于具有最小質(zhì)量代價(jià)的作動(dòng)面的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)飛行器的變形包括襟翼或縫翼小范圍內(nèi)的展開，以及機(jī)翼后掠角的調(diào)節(jié)。但是，由于微型航空器與自然界的飛行動(dòng)物具有同樣的尺寸和飛行機(jī)制，自然界展現(xiàn)出了更加多樣的變形方式，由被動(dòng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的機(jī)翼可實(shí)現(xiàn)整體包括全機(jī)翼上反角、尺寸和翼展的變化。“變體”是指改變飛行器布局，進(jìn)而導(dǎo)致改變飛行器性能。變體有很多種變體類型，其中很多方式是可以實(shí)現(xiàn)的。比如F-14和F-111戰(zhàn)斗機(jī)將后掠機(jī)翼作為一種變體形式，在低速布局中，為提高性能，機(jī)翼

59、幾乎沒有后掠。隨著飛機(jī)速度增加，機(jī)翼逐漸后掠。在達(dá)到最高速度，并進(jìn)入超聲速狀態(tài)，為了優(yōu)化性能，機(jī)翼完全后掠。飛行中改變機(jī)翼后掠角的能力是保留給高性能軍用飛機(jī)變體的一個(gè)極端的例子。但是，幾乎所有的飛機(jī)都具有更加微妙的變體形式，例如襟翼配置和收放式起落架。在所有這些情況下，變體指的是“主動(dòng)的”，即飛行員或者飛行控制系統(tǒng)具有對形狀改變的控制能力，并且會(huì)依據(jù)預(yù)定的準(zhǔn)則對這種變化進(jìn)行初始化。 3.3.1 微型航空器的仿生學(xué)變形56 第 3 章無人機(jī)結(jié)構(gòu)每只鳥類都有收攏翅膀的能力，一個(gè)明顯的好處是在不飛行的時(shí)候可以收起來，否則鳥類在地面就難以行動(dòng)。同時(shí)，鳥類收攏翅膀的能力也給它提供了極佳的空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢。

60、鳥類能夠調(diào)節(jié)機(jī)翼平面形狀的尺寸以提供最佳性能。例如，大型禽類(鷹、雕等)能夠用完全展開的翅膀進(jìn)行滑翔，它們僅僅在進(jìn)行諸如攻擊獵物的飛行 機(jī)動(dòng)中才撲動(dòng)翅膀。眾所周知，雕在進(jìn)入垂直俯沖時(shí)能夠達(dá)到300英里/h的飛行速度。如果雕不能收起它的翅膀，它將很難達(dá)到這樣的速度。另外，在規(guī)避機(jī)動(dòng)時(shí)，鳥類會(huì)收起一個(gè)翅膀來實(shí)現(xiàn)快速的滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)。翼型：翼型：一些自然界中的飛行動(dòng)物具有在飛行中改變翼型剖面的能力。幾乎所有的鳥類、昆蟲和蝙蝠都擁有非常薄的翅膀，翅膀里有半剛性的翼梁（鳥類和蝙蝠的骨頭）和柔性的翅面（如羽毛）。在自然界飛行生物活動(dòng)的低雷諾數(shù)環(huán)境中，光滑的翼型對于產(chǎn)生作用力來說并不是必需的。蜻蜓是一個(gè)著名的例子