無人機駕駛員航空知識手冊培訓技巧教材(多旋翼)

1、多旋翼多旋翼簡介簡介 多旋翼，依靠多個（多于3個）旋翼產(chǎn)生升力，并依靠旋翼控制的飛行器。簡介簡介多旋翼在無人機市場的地位。簡介簡介簡介簡介多旋翼與直升機的相同與不同之處1）均靠旋翼產(chǎn)生升力2）直升機靠自動傾斜器控制槳葉周期變距調(diào)整姿態(tài)，旋翼轉(zhuǎn)速恒定。 多旋翼靠不同方位的旋翼轉(zhuǎn)速變化調(diào)整不同方位的升力改變姿態(tài)。3）多旋翼靠成對電機反轉(zhuǎn)實現(xiàn)平衡扭矩。4）無人直升機的控制對象主要是舵機，多旋翼控制對象主要是電機、電調(diào)。簡介簡介四旋翼飛行器四旋翼飛行器l四旋翼飛行器的概念：四旋翼飛行器的概念： 四旋翼飛行器就是一種具有四個螺旋槳的飛行器并且四個螺旋槳呈十字形交叉結(jié)構(gòu)，相對的四旋翼具有相同的旋轉(zhuǎn)方向，分

2、兩組，兩組的旋轉(zhuǎn)方向不同。飛行器也通過控制這兩組螺旋槳的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向產(chǎn)生不同的升力實現(xiàn)上下前后左右的六個方向飛行的航模模型。l四旋翼飛行器的組成：四旋翼飛行器的組成：l電機 l電調(diào)l螺旋槳l飛控板l鋰電池l遙控器（六通控制）l一個四軸機架l基本線路連接l 四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式：四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式： 四旋翼飛行器采用四個旋翼作為飛行的直接動力源，旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，旋翼 1和旋翼 3逆時針旋轉(zhuǎn)，旋翼 2和旋翼 4順時針旋轉(zhuǎn)，四個電機對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計算機和外部設備。四旋翼飛行器的結(jié)

3、構(gòu)形式如圖所示：四旋翼飛行器四旋翼飛行器l 四旋翼飛行器的飛行原理：四旋翼飛行器的飛行原理： 四旋翼飛行器是通過調(diào)節(jié)四個電機轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置由于飛行器是通過改變旋翼轉(zhuǎn)速實現(xiàn)升力變化，這樣會導致其動力部穩(wěn)定，所以需要一種能夠長期保穩(wěn)定的控制方法。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機，因此非常適合靜態(tài)和準靜態(tài)條件下飛行。但是四旋翼飛行器只有四個輸入力，同時卻有六個狀態(tài)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)。 與傳統(tǒng)的直升機相比，四旋翼飛行器有下列優(yōu)勢：各個旋翼對機身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉(zhuǎn)方向相反，因此當電機 1和電機 3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機 2和電機

4、4順時針旋轉(zhuǎn)，可以平衡旋翼對機身的反扭矩。 四旋翼飛行器四旋翼飛行器 四旋翼飛行器在空間共有 6個自由度（分別沿 3個坐標軸作平移和旋轉(zhuǎn)動作），這 6 個自由度的控制都可以通過調(diào)節(jié)不同電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)?；具\動狀態(tài)分別是： 垂直運動 俯仰運動 滾轉(zhuǎn)運動 偏航運動 前后運動和側(cè)向運動四旋翼飛行器四旋翼飛行器 垂直運動：垂直運動： 在圖（a）中，因有兩對電機轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對機身的反扭矩，當同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當總拉力足以克服整機的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時減小四個電機的輸出功率，四旋翼飛行器 則垂直下降，直至平衡落 地，實現(xiàn)了沿 z軸

5、的垂直 運動，當外界擾動量為零 時，在旋翼產(chǎn)生的升力等 于飛行器的自重時，飛行 器便保持懸停狀態(tài)。保證 四個旋翼轉(zhuǎn)速同步增加或 減小是垂直運動的關(guān)鍵。 四旋翼飛行器四旋翼飛行器 俯仰運動：俯仰運動： 在圖（b）中，電機 1的轉(zhuǎn)速上升，電機 3 轉(zhuǎn)速下降，電機 2、電機 4 的轉(zhuǎn)速保持不變。為了不因為旋翼轉(zhuǎn)速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變，旋翼1與旋翼 3轉(zhuǎn)速改變量的大小應相等。由于旋翼1 的升 力上升，旋翼 3 的升力下降， 產(chǎn)生的不平衡力矩使機身繞 y 軸旋轉(zhuǎn)（方向如圖所示）， 同理，當電機 1 的轉(zhuǎn)速下降， 電機 3的轉(zhuǎn)速上升，機身便繞 y軸向另一個方向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn) 飛行器的俯仰

6、運動。也就是說 通過這實現(xiàn)了四軸飛行器的翻 轉(zhuǎn)。四旋翼飛行器四旋翼飛行器滾轉(zhuǎn)運動：滾轉(zhuǎn)運動： 滾轉(zhuǎn)運動與俯仰運動一樣，同樣是為了實現(xiàn)四軸飛行器的翻轉(zhuǎn)。只不過俯仰運動改變的是電機1 、3的轉(zhuǎn)速，保持電機2、4的轉(zhuǎn)速不變，使得四軸飛行器繞y軸進行旋轉(zhuǎn)。而滾轉(zhuǎn)運動則是改變電機2、4的轉(zhuǎn)速，保持電機1、3轉(zhuǎn)速不變，使四軸飛行器繞x軸進行旋轉(zhuǎn)。原理如圖（c）示： 四旋翼飛行器四旋翼飛行器 偏航運動：偏航運動： 四旋翼飛行器偏航運動可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來實現(xiàn)。旋翼轉(zhuǎn)動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉(zhuǎn)動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉(zhuǎn)，兩個反轉(zhuǎn)，且對角線上的旋翼轉(zhuǎn)動方向相同

7、。 反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當四個電機轉(zhuǎn)速同時，四個旋翼產(chǎn)生的反 扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動；當四個電機轉(zhuǎn)速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四 旋翼飛行器轉(zhuǎn)動。在圖d中，當電機 1和電機3 的轉(zhuǎn)速上升，電機 2 和電機 4 的轉(zhuǎn)速下降時，旋翼 1和旋翼3對機身 的反扭矩大于旋翼2旋翼4對機身的反扭矩， 機身便在富余反扭 矩的作 用下繞 z軸轉(zhuǎn)動， 實現(xiàn)飛行器的偏航運動， 轉(zhuǎn)向與電機 1、電機3的 轉(zhuǎn)向相 反。原理如圖 （d）示： 四旋翼飛行器四旋翼飛行器前后運動與側(cè)向運動：前后運動與側(cè)向運動： 要想實現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運動，必須在水平電機轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平

8、衡。按圖 b的面內(nèi)對飛行器施加一定的力。在圖 e中，增加電機 3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應減小電機 1轉(zhuǎn)速， 使拉力減小，同時保持其它兩個，飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使 旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實現(xiàn)飛行器的前飛運動。向后飛行與向前飛行正好相反；四旋翼飛行器四旋翼飛行器同理，根據(jù)四軸飛行器前后運動的工作原理，將飛行器x、y軸上的電機的工作狀態(tài)進行互換便可以實現(xiàn)飛行器側(cè)向運動，原理圖如圖（f）所示。四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器多旋翼主多旋翼主要參數(shù)要參數(shù)總體參數(shù)，是總體方案的設計變量，對方案有著決定性的影響。主要包括主要包括：多旋翼：多旋翼總重G、槳盤載荷p、功率載荷

9、q、旋翼實度 和槳尖速度R等 1 1）槳盤載荷）槳盤載荷p旋翼的拉力（近似等于G）與旋翼槳盤面積之比2 2）功率載荷）功率載荷qP和q值可定義為：2RGp)0(/eNGq 2)(21RCpT)(1000RmCAqkT由（3）和（4）得到：00025.156521000AApq圖4-1 槳盤載荷對功率載荷的影響其中：02/30/21kTmC（5）（6）kTmCApq2/321000四旋翼飛行器四旋翼飛行器2dRrbk3 3）旋翼實度）旋翼實度對于矩形槳葉Rkb4 4）槳尖速度）槳尖速度R R確定后，槳尖速度決定旋翼軸轉(zhuǎn)速n（7）四旋翼飛行器四旋翼飛行器p電機：電機： 電機也就是馬達，可以說電機是

10、四旋翼飛行器的基礎配件之一。電機分為有刷和無刷兩種，在四軸飛行器中無刷是主流， 不管什么牌子的電機，具體都要對應4位這類數(shù)字如2212電機什么的，其中前面2位是電機轉(zhuǎn)子的直徑，后面2位是電機轉(zhuǎn)子的高度。簡單來說，前面2位越大，電機越肥，后面2位越大，電機越高。 另外，每個無刷電機都會標準多少 kv值，這個kv是外加1v電壓對應的每分 鐘空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，例如：1000kv電機，外加 1v電壓，電機空轉(zhuǎn)時每分鐘轉(zhuǎn)100加2v電 壓，電機空轉(zhuǎn)就2000轉(zhuǎn)了。四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼

11、飛行器四旋翼飛行器p電調(diào)：電調(diào)： 電調(diào)都會標上多少A，如20a電調(diào)就是電子調(diào)速器。電調(diào)的作用就是將飛控板的控制信號，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯拇笮。钥刂齐姍C的轉(zhuǎn)速，因為電機的電流是很大的，通常每個電機同時正常工作時，如果沒有電調(diào)的存在，飛控板根本無法承受這樣大的電流（另外也沒驅(qū)動無刷電機的功能）。同時電調(diào)在四軸當中還充當了電壓變化器的作用，將電壓變?yōu)?v為飛控板和遙控器供電，40a這個數(shù)字就是電調(diào)能夠提供的電流。大電流的電調(diào)可以兼容用在小電 流的地方。小電流電調(diào)不能超標使用。 四旋翼飛行器四旋翼飛行器對于航模用的無刷直流電機，轉(zhuǎn)速精度要求并不很高，使用開環(huán)控制方式就可滿足要求。外轉(zhuǎn)子電機內(nèi)部構(gòu)造無刷電機拆

12、解AB通電AC通電四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器霍耳效應器件，霍耳效應測量器件可以根據(jù)轉(zhuǎn)子不同位置時的不同磁場方向分布情況輸出位置信號，一般在電機的不同位置上裝三個霍爾傳感器，就可測出轉(zhuǎn)子的位置。這就是所謂的“有感無刷電機的驅(qū)動”?！盁o感”測量方式。利用第三相的感生電動勢。無感驅(qū)動方式的優(yōu)點在于省略了三個霍爾傳感器，整套系統(tǒng)分量更輕，結(jié)構(gòu)更簡單。其缺點在于啟動比較麻煩，啟動的時候可控性較差，要達到一定轉(zhuǎn)速后才變得可控。四旋翼飛行器四旋翼飛行器p螺旋槳：螺旋槳： 螺旋槳一般有兩葉和三葉兩種類型 同電機類似，槳的型號也有10X8這些數(shù)字，前面代表槳的直徑,

13、后面2位是槳的角度(槳距)。 另外，四軸飛行為了抵消螺旋槳的自旋，相隔的 槳旋轉(zhuǎn)方向是不一樣的，所以需要正反槳。正反槳的風都向下吹。適合順時針旋轉(zhuǎn)的叫正漿、適合逆時針旋轉(zhuǎn)的是反漿。正反槳需要精確配平。四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器螺旋槳的參數(shù)： 直徑、螺距、槳葉扭轉(zhuǎn)分布、槳葉弦長分布、槳葉實度、槳葉翼型。直徑：D螺距：螺旋槳旋轉(zhuǎn)一周，劈開空氣旋轉(zhuǎn)的距離H，一般定義70%或75%處為名義螺距槳距測量：phy7=atan（H/Pi/D/0.7）螺距表征了螺旋槳旋轉(zhuǎn)一周帶動空氣前進的名義距離，螺距越大，越適應高速前飛。槳葉槳轂槳尖槳根后緣前緣四旋翼飛行器四旋翼飛行器 槳葉的平面形狀

14、很多，使用較多的有三種：四旋翼飛行器四旋翼飛行器Rr螺旋槳直徑 D螺旋槳半徑 R剖面半徑 r相對半徑 r/R槳弦 b四旋翼飛行器四旋翼飛行器槳弦相對氣流旋轉(zhuǎn)面槳葉角 ：槳弦和旋轉(zhuǎn)面之間的夾角槳葉迎角 ：槳弦和入流（即相對氣流）之間的夾角入流角 ：入流和旋轉(zhuǎn)面之間的夾角四旋翼飛行器四旋翼飛行器第三章 第 頁43 飛行中，螺旋槳是一面旋轉(zhuǎn)一面前進的。螺旋槳剖面具有兩個速度：一個是前進速度v,一個是圓周速度（切向速度）u。 右圖為槳葉切面上某一點的運動軌跡四旋翼飛行器四旋翼飛行器p飛控板：飛控板： 飛控板就是飛行器的大腦，如果沒有飛控板，四軸飛行器就會因為安裝、外界干擾、零件之間的不一致型等原因形成

15、飛行力量不平衡，后果就是左右、上下的胡亂翻滾，根本無法飛行，飛控板的作用就是通過飛控板上的陀螺儀，對四軸飛行狀態(tài)進行快速調(diào)整，如發(fā)現(xiàn)右邊力量大，向左傾斜，那么就減弱右邊電流輸出，電機變慢，升力變小，自然就不再向左傾斜。四旋翼飛行器四旋翼飛行器APM四旋翼飛行器四旋翼飛行器 p遙控器：遙控器：通道數(shù)：通道數(shù)：遙控器控制的動作路數(shù)，比如遙控器只能控制四軸上下飛，那么就是1個通道。但四軸在控制過程中需要控制的動作路數(shù)有：上下、左右、前后、旋轉(zhuǎn)所以最低得4通道遙控器。美國手美國手/日本手：日本手：大多數(shù)遙控器都會有美國手（左手控制油門） 和日本手（右手控制油門）之分。 四旋翼飛行器四旋翼飛行器 p 電

16、池：電池： 考慮到四旋翼飛行器質(zhì)輕高飛的特點，所以在選用電池時往往選擇鋰電池，因為同樣電池容量鋰電最輕，起飛效率最高。 另外，電池的多少mah表示電池容量，如1000mah電池，如果以1000ma放電，可持續(xù)放電1小時。如果以500mh放電，可以持續(xù)放電2小時；電池后面的2s，3s，4s代表鋰電池的節(jié)數(shù)（鋰電池1節(jié)標準電壓為3.7v）；電池后面多少c代表電池放電能力，這是普通鋰電池和動力鋰電池最重要區(qū)別，動力鋰電池需要很大電流放電，這個放電能力就是C來表示的。如1000mah電池 標準為5c，那么用5x1000mah，得出電池可以以5000mh的電流強度放電。這很重要，如果用低c的電池，大電流放電，電池會迅速損壞，甚至自燃。四旋翼飛行器四旋翼飛行器單體電壓：標稱3.7，滿充4.2v，放電保護電壓：3v容量：蓄電池的總能量=電壓X容量放電倍率：以多少倍容量電流放電最大放電電流=容量X放電倍率充電倍率：以多少倍容量電流充電能量密度：總能量/總重量四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器四旋翼飛行器p四軸機架：四軸機架： 四軸飛行器的機架，必須要符合飛行器的結(jié)構(gòu)基礎，能夠保持對稱穩(wěn)定性。 另外需要注意的是四根軸架的尺寸長度，保證4個螺旋槳不打架就可以了，但要考慮到螺旋槳之間因為旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的亂流互相影響，建議