多旋翼無人機基礎知識

1、無人機，也稱無人飛行器，英文Unmannedaerialvehicle(UAV)無人飛行器是一種配置了數(shù)據處理系統(tǒng)、傳感器、自動控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)等必要機載設備的飛行器。無人機技術是一項設計多個技術領域的綜合系統(tǒng)，它對通訊技術、傳感器技術、人工智能技術、圖像處理技術模式識別技術、現(xiàn)代控制理論都有較深的運用和較高的要求。無人飛行器與它所配套的地面站測控系統(tǒng)、存儲、托運、發(fā)射、回收、信息處理等維護保障部分一起形成了一套完整的系統(tǒng)，同城無人飛行器系統(tǒng)Unmannedaerialsystem(UAS)1.1無人機的種類疋異無人飛行器固定翼無人飛行器采用電動或者燃料發(fā)動機產生向前拉力或推力，飛行器依靠固

2、定翼的翼形上下邊產生的大氣動壓強差產生的升力維持飛行器的控制。無人機種類I1'傘翼無人I飛行器;飛行器I1'"無人飛艇I:旋翼無人j飛行器/無人飛艇采用充氣囊結構作為飛行器的升力來源，充氣囊一般充有比空氣目的小的氫氣或氦氣。旋翼無人飛行器，其配備有多個朝正上方安裝的螺旋槳，由螺旋槳的動力系統(tǒng)動的動作而產生升力和向前的推力。傘翼無人飛行器采用傘型機翼作為飛行器升力的主要來源。1.2無人機的分類與管理在中國無人機駕駛航空器體系中，按照無人機的基本起飛重量指標可以分為四個等級1. 微型無人機，空機質量小于等于7千克2. 輕型無人機，空機質量大于7千克，但小于等于116千克，

3、并且全馬力飛行中，矯正空速度100公里/小時，升限小魚3000米3. 小型無人機，空機質量小于等于5700千克，除微型及小型無人機以外的其他無人機4. 大型無人機，空機質量大于5700千克的無人機中國的空域目前歸屬于軍隊管理，民用航空領域則由民航總局向軍隊申請劃分空域及航道。民航總局針對私人飛行器的管理專設“中國航空器擁有者及駕駛員協(xié)會AircraftOwnersandPilotsAssociationOfChina-AOPA”，中國民航領域對飛行器主要管理分為三個層次等級進行管理。第一等級：室內飛行的無人機，視距內飛行的微型無人機，及非人口稠密區(qū)域的試驗無人機，這等級的飛行器由擁有者自行管理

4、，自行負責。第二等級：視距外無人機，以及小魚4600m'3以下的飛艇，這等級的無人機的飛行活動由AOPA協(xié)會來負責管理第三等級：第三等級即除第一、第二等級以外的其他所有飛行器活動，均由民航總局局方直接負責管理1.3 無人機與航空模型的區(qū)別關于無人機與航空模型的定義：航空模型：航空模型是一種重于空氣的，有尺寸限制的帶有或不帶有發(fā)動機的，課遙控的不載人的航空器無人機：利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行器；兩者之間的區(qū)別：無人機：帶有自主控制，系統(tǒng)穩(wěn)定的模型飛行器，帶有智能控制、姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)的飛行器。無人機分屬的管理體系為-AOPA航空模型：比例遙控器直接控制的飛行器，不

5、帶有任何智能控制、姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)的模型飛行器，只在視距內飛行控制的設備。航空模型是屬于一種專業(yè)體育運動；航空模型活動的管理和組織主要是由國家體育總局直屬單位，國家體育總局航空無線電模型運動管理中心的中國航空運動協(xié)會AeroSportsFederationOfChina-ASFC1.4 多旋翼無人機發(fā)展歷史多旋翼無人機發(fā)展歷史：其多旋翼無人機的最早可以追溯到20世紀初飛機剛剛發(fā)明的時代。雖然在近5年多旋翼的技術無論在技術本身還是在應用方面都呈現(xiàn)出爆發(fā)式發(fā)展態(tài)勢，然而僅僅在10年前還是處于起步復興時代；得益于電子技術、微機械技術以及計算機技術的迅猛發(fā)展。多旋翼無人機的發(fā)展歷可簡要分為：1 ：1903

6、年12月17日，美國萊特兄弟實現(xiàn)了人類第一次的載人飛行器的飛行2 :1907年，發(fā)過飛機制造工程師Breguet兄弟在CharlesRichet教授的指導下，設計了第一款實際的旋翼直升機Breguet-RichetGyroplane3 :1920年，法國工程師EtienneOehmichen設計并制造了多旋翼的飛行器,經過一系列實驗，于1923年實現(xiàn)飛行并創(chuàng)造了直升機領域的世界紀錄-留空時間達到14分鐘4 :1956年3月在長島，D.H.Kaplan吸收了Oemichen的設計理念，第一次采用H型的四旋翼排列設計的四旋翼載人飛行器ConvertawingsModel"A"5

7、 :90年代初，隨著電機小型化技術、半導體技術的成熟，基于MEMS微電機技術的慣性導航系統(tǒng)研制出來，多旋翼飛行器小型化成為了可能1.5 多旋翼無人機的組成1.5.1 機架系統(tǒng)多旋翼無人機無論大小尺寸，其都包含了一些基本的構建組成；在此基礎上再根據各自不同的運用場景和任務以及特性等額外增加輔助設備以及任務載荷。機架是指多旋翼飛行器的機身架，是整個飛行系統(tǒng)的飛行載體。為了減輕飛行器的機身重量，一般飛行器會使用高強度重量比較輕的材料；如：碳纖維材料等。對于DIY愛好者來說通用的機架為F450、F550、F700、F330等，一般數(shù)字表示機架的對角線的距離，單位是毫米；盡管機架的形態(tài)各式各樣，但是有幾

8、個必須的部件：中心板（HUB）機臂腳架1.5.2動力系統(tǒng)動力系統(tǒng)主要包含了槳葉和電機；對于飛行器來說動力系統(tǒng)的來源分為電動和油動；其常用的為電動配備電磁系統(tǒng)。電動無人機的電機是將電能轉換成機械能，帶動旋翼旋轉；其中電機一般分為有刷直流電機與無刷直流電機。有刷直流電機：將磁鐵固定在電機外殼或者底座，成為定子。然后將線圈繞組，成為轉子，模型車用有刷電機常見都是3組繞線。有刷電機采用內部集成了電刷進行電極換相，保持電機持續(xù)轉動?？招谋话阌迷谖⑿退闹軣o人機上。空心杯電機主要特點是功耗低、靈敏、轉子電感小、轉速穩(wěn)定、響應好、效率較高、最大效率可達70%甚至90%以上?？招谋姍C的型號一般用數(shù)字表示，即

9、機身的直徑和高度。例如820電機表示8*20mm，即直徑8mm,高20mm。有刷直流電機（空心杯）無刷直流電機：無刷直流電機,顧名思義,是不帶電刷的,由于省去了電刷,使得沒有了電刷損耗,也沒有了有刷電機運轉時產生的電火花,極大降低了電磁打火對機載電子設備的干擾。無刷直流電機采用繞組作為定子,而轉子由永磁鐵構成。無刷直流電機由于沒有電刷,噪音低,運轉順暢,且工作壽命長,維護成本低。并且由于無刷直流電動機是以自控式運行,所以不會像變頻調速下重載啟動的同步電機那樣在轉子上另加啟動繞組,因此不會在負載突變時產生震蕩和失步無刷直流電機1.5.2 動力系統(tǒng)電機主要參數(shù)：尺寸：一般用4個數(shù)字表示,其中前面2

10、位是電機轉子的直徑,后面2位是電機轉子的高度標稱空載KV值：無刷電機KV值定義為“轉速/伏特”，意思為輸入電壓增加1伏特，無刷電機空轉轉速增加的轉速值標稱空載電流和電壓：在空載試驗時，對電動機施加標稱空載電壓，使其不帶任何負載空轉，定子三相繞組中通過的電流，稱為標稱空載電流最大電流值：最大電流是指在電機正常運行情況下，所能承受的電流的一個極限值內阻：電機電樞本身存在內阻，雖然該內阻很小，但是由于電機電流很大有時甚至可以達到幾十安培，所以該小內阻不可忽略1.5.2 動力系統(tǒng)動力系統(tǒng)的組成中另外一個非常重要的部分就是螺旋槳，螺旋槳通過自身旋轉將電機轉動功率轉換為動力的裝置；在多旋翼飛行器上，為了抵

11、消電機的反扭矩，不同的軸旋轉方向不同，一般相鄰兩個周的電機旋轉方向相反，為了無論正反旋轉都產生向上的升力；因此需要配置兩種不同的槳葉正槳，反槳螺旋槳的主要參數(shù)：螺距：螺旋槳的螺旋每旋轉一周，向前推進的距離槳葉數(shù)：槳葉數(shù)量分為雙葉槳和三葉槳，一般雙葉槳直徑較大，三葉槳直徑較小安全轉速：因為多旋翼所使用的螺旋槳都具有一定柔韌性，所以超過一定轉速后，螺旋槳會產生變形，電機轉動能效率降低。也尼龍柔葉4<b)碳纖舉槳葉4(t)欣暫三葉槳屮1.5.3動力電源和充電系統(tǒng)：電動多旋翼飛行器上由于電機的工作電流非常大，需要采用能夠支持高放電電流的動力可充電鋰電池供電，放電電流的大小通常使用放電倍率來表示，

12、即為C值鋰離子電磁的充放電倍率，決定了可以以多塊的速度將定量的能力存儲到電池里面，或以多塊的速度將電池中的能量釋放出來。例如：容量5000mAh的電池如果最大放電倍率為20C，則其最大放電電流為5000mA*20C=100A1.5.4電子調速器電子調速器electronicspeedcontroller,簡稱ESC，使用飛控輸出的PWM弱電信號，為無刷電機提供可控的動力電流輸出。飛控板提供的控制信號電的驅動能力無法直接驅動無刷電機,它需要通過電調最終控制電機的轉速電子調速器的主要參數(shù)有：電流：無刷電調最主要的參數(shù)是電調的電流,通常以安培來表示,如10A、20A、30A更具體地，無刷電調有持續(xù)電

13、流和X秒內瞬時電流兩個重要參數(shù)，前者表示正常時的電流，而后者表示X秒內的容忍的最大電流內阻：電調具有相應內阻，其發(fā)熱功率需要得到注意。有些電調電流可以達到幾十安培，發(fā)熱功率是電流的平方的函數(shù)，所以電調的散熱性能也十分重要，因此大規(guī)格電調內阻一般都比較小。1.5.5飛行控制系統(tǒng)無人旋翼機系統(tǒng)與定翼機系統(tǒng)最大區(qū)別就是旋翼機本身是一個不穩(wěn)定系統(tǒng)，如果對系統(tǒng)沒有任何輸入控制的情況下，系統(tǒng)會逐漸發(fā)散導致不穩(wěn)定，乃至墜機，相比定翼機本身是一個天然的穩(wěn)定系統(tǒng)，沒有任何系統(tǒng)和控制輸入的時候，系統(tǒng)也能夠自行的天然保持穩(wěn)定飛行。飛行控制系統(tǒng)是飛行器的控制中樞，其核心主要是一顆CPU，采用微處理器作為處理中樞，在通

14、過串行總線（SPI、I2C、UART等）拓展連接高精度傳感器，主要有陀螺儀、加速度計、氣壓計、GPS、指南針模塊以及控制電纜等算法以及導航算法，按照一定的控制輸入信號，實現(xiàn)精準的定位懸停和平穩(wěn)飛行等運動。1.5.6遙控器和遙控接收機：遙控器：遙控器是負責將地面操控人員的控制指令傳輸?shù)綑C載飛控上。微型航模級別的無人機一般選用便攜式的比例遙控器，這類遙控器特點是輕便、易于使用、操作簡單，但是遙控距離較短，適合目視距離的操控。遙控器接收機：接收來自地面操控人員的控制指令，然后將該指令發(fā)送到飛控控制核心上，實現(xiàn)數(shù)據交互的作用比例遙控發(fā)射電路工作原理：例遙控發(fā)射電路的工作原理是通過操縱發(fā)射機上的手柄，將

15、電位器阻值的變化信息采樣并送入編碼電路。編碼電路將其轉換成一組脈沖編碼信號，這組脈沖編碼信號可以采用PPM調制信號或者PCM調制信號兩種調制方式。這組脈沖再經過高頻調制電路載波調制，再經過高頻放大電路發(fā)射出去。目前比例遙控設備中最常用的信號編碼方式有兩種PPM調制信號PPM調制脈沖位置調制Pulse-positionmodulation,也叫脈位調制，這種調制采用脈沖信號的寬度位置來表示舵量，每個通道由8個型號脈沖組成，脈沖個數(shù)不變,脈沖寬度相同,只是脈沖的相位不同,由相位來代表所傳遞的編碼信息PCM調制信號PCM調制，脈沖編碼調制Pulsecodemodulation,也叫脈碼調制，這種調制

16、是將若干通道的舵量大小以二進制數(shù)字來進行編碼，形成數(shù)據幀。PCM的編碼通?？梢允褂媚?數(shù)（A/D）和數(shù)/模（D/A）轉換技術來實現(xiàn)。在這里，每一個通道都是由8個信號脈沖組成。其脈沖個數(shù)永遠不變，只是脈沖的寬度不同。寬PCM編碼優(yōu)勢1、具有很強的抗干擾能力2、解碼電路中的單片機就會自動將與“0”或“1”脈沖寬度不相同的干擾脈沖自動清除3、如果干擾脈沖噪聲與“0”或“1”脈沖的寬度恰好近似或者將邏輯“0”脈沖干擾變形成邏輯“1”脈沖，解碼電路的單片機也可以通過信道數(shù)據檢驗校核的方式，將其濾除4、方便的利用計算機編程射頻調試方式最常用的射頻調制方式即射頻調制方式也有兩種，F(xiàn)M調頻和AM調幅。比較常見

17、的組合是PPM/AM脈位調制編碼/調幅、PPM/FM脈位調制編碼/調頻、PPM/FM脈沖調制編碼/調頻三種形式。便攜遙控器的通信鏈路射頻由無線電管理委員會管理和分配，占用可用的開放民用頻段為72MHz、2.4GHz和5.8GHz。遙控器的主要參數(shù)包含：通道數(shù)即遙控的控制通道路數(shù)，一般至少要求4通道（即油門，航向，俯仰，橫滾），需要進行模式切換時，增加開關通道頻點即遙控信號的射頻載波頻率,主要由72M，2.4G和5.8G,般以2.4G為多美國手/日本式即油門位置，美國手表示左手控制油門，日本手表示右手控制油門遙控距離，一般400米，但操控手在100米以上基本看不清飛行器姿態(tài)，很難控制1.5.7遙測鏈路數(shù)傳系統(tǒng)：無人機的遙測鏈路主要用于地面控制人員對無人機實時飛行狀態(tài)的感知與定位遙測鏈路由數(shù)傳模塊和地面站兩部分組成。數(shù)傳模塊包含機載收發(fā)模塊和地面站收發(fā)模塊3DR公司針對數(shù)傳系統(tǒng)推出了3DRRadioTelemetry模塊，是比較常用的通信數(shù)傳模塊。模塊支持MAVLink協(xié)議傳輸和狀態(tài)報告，以及無線透傳。它的機載端使用標準的TTL串行通