多旋翼飞行器设计与控制（二）:基本组成

• 一、前言
• • • 核心问题
• 二、总体介绍
• • • 多旋翼系统
    • 内部布局
• 三、机架
• • • 机身
    • 起落架
    • 涵道
• 四、动力系统
• • • 概述
    • 螺旋桨
    • 电机
    • 电调
    • 电池
• 五、指挥控制系统
• • • 遥控器和接收器
    • 自动驾驶仪
    • 地面站
    • 数传

一、前言

核心问题

（1）多旋翼组成结构

1. 机架
2. 动力系统
3. 控制系统
   （2）多旋翼组成复杂
4. 不同部件之间相互约束
5. 只有很少的组合可以保证多旋翼正常工作

二、总体介绍

多旋翼系统

三、机架

机身

1. 作用：承载多旋翼所有设备的平台
2. 指标参数：重量、轴距（外圈电机组成圆圈的直径）、布局、材料（密度、强度、刚度、加工、价格）
   

   四、动力系统

   概述

   1. 组成：螺旋桨、电机、电调、电池
   2. 作用：悬停时间、载重能力、飞行速度、飞行距离
   3. 注意事项：动力系统的部件之间需要相互匹配与兼容，在某些极端情况下会突然失效导致事故发生，

   螺旋桨

   1. 作用：直接产生多旋翼运动所需的力与力矩的部件、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
      型号：
      一般由4个数字表示，前2位是螺旋桨的直径，后2位是螺旋桨的螺距（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）。
      弦长：
      一般选择螺旋桨2/3处的弦长，作为螺旋桨的标称弦长
      
      安全转速：
      多旋翼的螺旋桨通常具有一定柔性，当转速超过一定值时，螺旋桨可能会发生形变，导致效率降低。
      螺旋桨的力效：
      机械功率（W）= 输出力矩（N*M) X 螺旋桨转速（rad/s)
      力效（g/W) = 拉力(g) / 机械功率（W）
      
   3. 指标参数
      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，前两个数字表示定子直径(mm)，后两个数字表示定子高度(mm)。
      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(转速单位:RPM)， KV值小的电机可以产生更大的力矩，因此大螺旋桨可以选用KV值较小的电机，而小型螺旋桨可以选用KV值较大的电机。
      标称空载电流电压：
      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。
      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
      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，所以该小电阻不可忽略
      电机效率：
      电机效率是评估性能的一个重要参数
      电功率（W） = 电机输入电压（V）X 电机电流（A）
      电机效率 = 机械功率（W）/ 电功率（W）
      
   4. 指标参数
      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。
      2.4GHz微波的直线性很好，但同时，控制信号的避让障碍物的性能就差了。
      调制方式：
      PCM(Pulse Code Modulation)，脉冲编码调制，又称脉码调制。
      PPM(Pulse position modulation)，脉冲位置调制，又称脉位调制，
      PCM编码的优点：很强的抗干扰性，很方便的计算机编程，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，但比较容易受到干扰。
      通道：
      一个通道对应一个独立的动作，油门、偏航，俯仰、滚转控制至少需要四个通道，再加上云台等控制，一般遥控器有六通道、十通道等。
      控制模式：
      
      油门：
      直接式油门：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，称为直接式油门。
      增量式油门：松开手后，油门杆会自动回中，称为增量式油门。
      遥控距离：
      根据功率的不同，遥控器控制的距离也不同，遥控器上也可以使用带有功率放大模块，带有鞭状天线可以以增大遥控的距离。

   自动驾驶仪

   1. 组成：
      全球定位系统（GPS）接收器。
      惯性测量单元（IMU），包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、电子罗盘（或三轴磁力计），目的是得到多旋翼的姿态信息。
      气压计和超声波测距模块，目的是得到多旋翼的绝对或者相对高度。
      微型计算机， 目的是用于算法实现以及一些接口，用于各种传感器、电调、通讯设备等。
   2. 作用：
      感知：导航就是解决“多旋翼在哪”的问题。
      控制：控制就是要解决“多旋翼怎么去”的问题。
      决策：决策就是要解决“多旋翼去哪”的问题。

   地面站

   1. 作用：
      地面站软件是多旋翼地面站的重要组成部分。
      操作员通过地面站系统提供的鼠标、键盘、按钮和操控手柄等外设来与地面站软件进行交互。
      预先规划好本次任务的航迹，对多旋翼的飞行过程中飞行状况进行实时监控和修改任务设置以干预多旋翼飞行。
      任务完成后还可以对任务的执行记录进行回放分析。

   数传

   1. 作用：
      数传电台是指借助DSP技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电台。采用数字信号处理、数字调制解调、具有前向纠错、均衡软判决等功能的无线数据传输电台。
   2. 指标：
      频率：
      可选择433MHz或915MHZ。美洲地区可以使用915MHz，欧洲和中国等一般使用433MHz，对915MHz频段是禁用的
      传输距离
      传输速率
      通讯协议：
      通信协议又称通信规程，是指通信双方对数据传送控制的一种约定。
      MAVLink通讯是一个为微型飞行器设计的非常轻巧的、只由头文件构成的信息编组库。
      Openpilot自驾仪采用来UAVTalk协议与地面站进行通讯。

   来源：思绪离觞

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