無人機(jī)飛行原理-第09章 多旋翼無人機(jī)特性

無人機(jī)飛行原理第九章

多旋翼無人機(jī)特性多旋翼無人機(jī)基本結(jié)構(gòu)多旋翼無人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)主要包括：機(jī)架、動力系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，為了滿足實(shí)際飛行需要，需配備電池、遙控器及飛行輔助控制系統(tǒng)機(jī)架機(jī)架是指多旋翼飛行器的機(jī)身架，是整個飛行系統(tǒng)的飛行載體。多旋翼的安全性、可用性以及續(xù)航性能都和機(jī)身的布局密切相關(guān)。因此在設(shè)計多旋翼時，其機(jī)身的尺寸、布局、材料、強(qiáng)度和重量等因素都是應(yīng)該考慮的。一般使用輕質(zhì)高強(qiáng)材料，如碳纖維等材料。軸距是用來衡量多旋翼尺寸的重要參數(shù)，它通常被定義為外圈電機(jī)組成圓周的直徑。例如，軸距450mm和550mm動力系統(tǒng)動力系統(tǒng)決定了多旋翼無人機(jī)的主要性能，例如懸停時間、載重能力、飛行速度和飛行距離等。多旋翼無人機(jī)的電機(jī)主要以無刷直流電機(jī)為主，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。無刷直流電機(jī)具有多種優(yōu)勢，比如效率高、便于小型化以及制造成本低根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置，無刷直流電機(jī)可以進(jìn)一步分為外轉(zhuǎn)子電機(jī)和內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)。外轉(zhuǎn)子電機(jī)可以提供更大的力矩，因此更容易驅(qū)動大螺旋槳而獲得更高效率。電調(diào)的基本的功能就是電機(jī)調(diào)速、為遙控接收器上其它通道的舵機(jī)供電和充當(dāng)換相器的角色。電調(diào)全稱電子調(diào)速器（簡稱ESC），在整個飛行系統(tǒng)中，電調(diào)主要提供驅(qū)動電機(jī)的指令，來控制電機(jī)，完成規(guī)定的速度和動作等。電池電池作為能源儲備，為整個動力系統(tǒng)和其他電子設(shè)備提供電力來源。常見的有鋰聚合物電池（LiPo）和鎳氫電池（NiMh），主要源于其優(yōu)良的性能和便宜的價格優(yōu)勢。目前在多旋翼飛行器上，一般采用普通鋰電池或者智能鋰電池等鋰電池分類：6S-10000mAh電池，多用于S1000、S800

EVO等6軸及以上大型多旋翼飛行器；3S-5000mAh電池，多用于風(fēng)火輪F550等4軸中小型多旋翼飛行器；3S-2200mAh電池，多用于Phantom1、風(fēng)火輪F450等4軸小型多旋翼飛行器；3S-5200mAh電池，用于Phantom2、Vision、Vision+等四軸小型多旋翼飛行器。電池的主要參數(shù)有C數(shù)、P數(shù)、S數(shù)等，具體含義如下：C數(shù)是指電池能正常放電的倍數(shù)。可以簡單理解為放電能力。C數(shù)乘以容量，就是電池最大放電電流；S數(shù)是指串聯(lián)鋰電池電芯的片數(shù)，S數(shù)越大，電池的電壓越大；P數(shù)是指并聯(lián)鋰電池電芯的片數(shù)，P數(shù)越大，電池的電流越大。螺旋槳一.螺旋槳的作用：直接產(chǎn)生多旋翼運(yùn)動所需的力與力矩的部件，有利于提高螺旋槳對多旋翼性能和效率。二.指標(biāo)參數(shù)：螺旋槳型號，螺旋槳用4個數(shù)字表示，其中前面2位是螺旋槳的直徑，后面2位是螺旋槳的螺距。比如：

1045槳的直徑為10英寸，而螺距為4.5英寸。假設(shè)螺旋槳在一種不能流動的介質(zhì)中旋轉(zhuǎn)，那么螺旋槳每轉(zhuǎn)一圈，就會向前進(jìn)一個距離，就稱為螺距或槳距（Propeller

Pitch）。螺旋槳弦長，較小的轉(zhuǎn)動慣量可以提升電機(jī)的響應(yīng)速度，從而提升多旋翼的性能。指揮控制與飛行控制系統(tǒng)指揮控制系統(tǒng)由遙控器和接收機(jī)組成，是整個飛行系統(tǒng)的無線控制終端。遙控器發(fā)送飛控手的遙控指令到接收器上，接收機(jī)解碼后傳給飛控制板，進(jìn)而多旋翼無人機(jī)根據(jù)指令做出各種飛行動作。遙控器可以進(jìn)行一些飛行參數(shù)的設(shè)置，例如：油門的正反，搖桿靈敏度大小，舵機(jī)的中立位置調(diào)整，通道的功能定義，飛機(jī)時間記錄與提醒，撥桿功能設(shè)定。高級功能有航?；貍鞯碾姵仉妷弘娏鲾?shù)據(jù)等等飛行控制系統(tǒng)集成了高精度的感應(yīng)器元件，主要由陀螺儀、加速計、角速度計、氣壓計、GPS及指南針

模塊，以及控制電路等部件組成。通過高效的控制算法內(nèi)核，能夠精準(zhǔn)地感應(yīng)并計算出飛行器的飛行姿態(tài)等數(shù)據(jù)，再通過主控制單元實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位懸停和自主平穩(wěn)飛行。任務(wù)載荷系統(tǒng)無人機(jī)系統(tǒng)升空執(zhí)行任務(wù)，通常需要搭載任務(wù)載荷。任務(wù)載荷一般與偵察、武器投射、通信、遙感或貨物有關(guān)。無人機(jī)的設(shè)計通常圍繞所應(yīng)用的任務(wù)載荷進(jìn)行。有些無人機(jī)可攜帶多種任務(wù)載荷。偵察任務(wù)和遙感任務(wù)而言，傳感器任務(wù)載荷根據(jù)不同任務(wù)可采用許多不同形式，包括光電攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)、合成口

徑雷達(dá)、激光測距儀等。鏈路系統(tǒng)P

A

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E無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈無人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)以上各種應(yīng)用，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的起著非常重要的作用。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是飛行器于地面系統(tǒng)通信的紐帶，其通信質(zhì)量的穩(wěn)定性、安全性及靈敏度對無人機(jī)有著極其重大的意義。無人機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈飛行控制計算機(jī)是整個飛行器的核心部件，它主要有以下三個功能：飛行器多路的模擬信號采集，包括航向信號、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、電源電壓等等；利用通信信道與機(jī)載數(shù)據(jù)電臺、GPS信號、數(shù)字量傳感器等進(jìn)行通信；輸出模擬信號和PWM脈

沖等適應(yīng)方向舵機(jī)、升降舵機(jī)和氣道等的控制要求。數(shù)據(jù)鏈的要求抗干擾：隨著通信技術(shù)的發(fā)，電磁環(huán)境變得更加復(fù)雜，通信距離增大帶來的路徑損耗、傳播路徑帶來的障礙物衰落、飛行器高速運(yùn)動帶來的多普勒頻移等，數(shù)據(jù)鏈的抗干擾能力變?yōu)橛葹橹匾?，現(xiàn)在的通常的要求是數(shù)據(jù)鏈需要具有調(diào)頻擴(kuò)頻能力，調(diào)頻組合越高，抗干擾能力越強(qiáng)。多旋翼無人機(jī)的螺旋槳螺旋槳工作原理螺旋槳產(chǎn)生推力非常類似于機(jī)翼產(chǎn)生升力的方式。產(chǎn)生的升力大小依賴于槳葉的平面形狀，螺旋槳葉迎角和電機(jī)的轉(zhuǎn)速。螺旋槳葉本身是負(fù)扭轉(zhuǎn)的，因此槳葉角從轂軸到葉尖是變化的。最大槳葉角在轂軸處，而最小槳葉角在葉尖。螺旋槳幾何參數(shù)螺旋槳直徑D和半徑R螺旋槳直徑是指槳尖所畫圓的直徑。螺旋槳的直徑需要通過發(fā)動機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、無人機(jī)飛行速度、槳葉數(shù)目以及螺距綜合確定，螺旋槳直徑的單位是英寸。螺旋槳半徑為R，槳葉某位置的剖面半徑用r表示。槳葉數(shù)目螺旋槳的槳葉數(shù)目越多，螺旋槳的可吸收的最大功率越大，但是螺旋槳的效率越低，另外隨著槳葉數(shù)目的增加，螺旋槳的重量也會隨之增加。所以槳葉數(shù)目的選擇需要結(jié)合發(fā)動機(jī)的功率，在保證具備可以吸收發(fā)動機(jī)最大功率和螺旋槳直徑約束的前提下，盡可能減少槳葉數(shù)目，以提高螺旋槳的效率。槳距螺旋槳的槳距是指螺旋槳在一個固定介質(zhì)中旋轉(zhuǎn)一周前進(jìn)的距離。槳距（或螺距）是由螺旋

槳的槳葉角決定的，槳葉角（β）是指葉素弦線與螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面的夾角。相同轉(zhuǎn)速(V)下，螺旋槳不同半徑位置的線速度（ωr）不同，導(dǎo)致氣流的方向角(θ)不同，為了使每個葉素都能在有利迎角（α）下工作，所以槳葉角不是一個固定值，典型的槳葉角分布如圖所示。為了滿足不同速度的飛行，可以將螺旋槳設(shè)計成可變槳距的螺旋槳。螺旋槳分類一.按槳葉數(shù)量：雙葉槳、三葉槳、四葉槳、五葉槳、涵道風(fēng)扇等。二.按槳葉結(jié)構(gòu)分：整體式螺旋槳、組合式螺旋槳、可折疊式螺旋槳等。三.按固定方式分：插接式、螺絲固定式、自鎖式、子彈鎖緊式等。螺旋槳的設(shè)計多旋翼無人機(jī)為了抵消單個螺旋槳旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的反扭矩，多旋翼無人機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時，相鄰兩個螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向不同，從而抵消單個螺旋槳旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的反扭矩。頂視逆時針旋轉(zhuǎn)的槳是正槳，正槳