针对“大众创业、万众创新”的新时代培养高级人才、创新型人才和复合型人才的需要,本书系统而地介绍了多旋翼无人机技术基础的主要内容和知识体系。全书共分9章,主要内容包括概述、多旋翼无人机飞行原理和翼型设计、DIY 4旋翼无人机组装、多旋翼无人机动力装置、多旋翼无人机空气动力学、多旋翼无人机结构动力学、多旋翼无人机气动弹性力学、多旋翼无人机飞行控制技术和多旋翼无人机总体设计。每一章节后都给出了该章的小结和习题。 本书取材来源于实践,选材新颖、内容丰富、概念清楚易懂,具有很强的可操作性,既适合作为高等院校相关专业大学生的专业基础课程教材,也适合作为相关专业研究生及从事多旋翼无人机科研、生产和培训机构工作人员,以及广大航模爱好者的学习培训教材,对于希望了解多旋翼无人机知识的其他读者,本书也是一本较好的参考读物。
近年来,多旋翼无人机作为航空领域一枝新秀,引起了人们越来越多的关注和重视,风行全球,迅速成为新的创业、创新研究热点。其产品在国内外市场上商机无限,世界各国掀起了一股研发和广泛应用的热潮。特别是属于消费级的微型机,操作简单、价格便宜,市场上有众多适合个人自己动手组装(DIY)的成套软硬配件出售,只要自己动动手,经过简单的组装,就能实现每个人自幼就有的“飞行梦想”。但实际上,多旋翼无人机属于一种电子自动化和智能化控制的高科技产品,技术含量相当高,其研制设计和应用发展等技术问题需要引起大家足够的重视。作者紧密结合当前实际,根据自己40多年从事相关方面工作的经验编写了这本教材,系统地介绍了多旋翼无人机基本技术的方方面面,使学生对多旋翼无人机能有一个的认识。因此,本书的正式出版,既解决了教材缺乏的问题,也有助于同学们提高对“大众创业、万众创新”精神的认识。
目录
第1章概述
1.1与多旋翼无人机相关的基本概念
1.1.1基本的物理概念和定律
1.1.2系统论的基本概念
1.1.3控制论的基本概念
1.2多旋翼无人机系统的基本概念
1.2.1多旋翼无人机的定义
1.2.2多旋翼无人机系统及其飞行机组
1.3多旋翼无人机的构型、用途及分类
1.3.1多旋翼无人机的构型和用途
1.3.2多旋翼无人机的分类
1.4多旋翼无人机的发展历程和市场前景
1.4.1多旋翼无人机的发展历程
1.4.2多旋翼无人机市场
1.4.3多旋翼无人机的典型案例
1.5民用多旋翼无人机飞行管理
1.5.1航空空域的划分
1.5.2与民用多旋翼无人机飞行相关的法律问题
1.5.3民用多旋翼无人机飞行管理文件
本章小结
习题
第2章多旋翼无人机的飞行原理和翼型设计
2.1多旋翼无人机的飞行原理和控制方式
2.1.1多旋翼无人机的飞行原理
2.1.2多旋翼无人机的飞行控制
2.2多旋翼无人机的特点和对比分析
2.2.1多旋翼无人机的特点
2.2.2多旋翼无人机的对比分析
2.3翼型的几何参数和主要类型
2.3.1翼型的定义和几何参数
2.3.2空气在翼型表面的流动和压力分布
2.3.3翼型的主要类型
2.4翼型空气动力特性和影响因素
2.4.1翼型空气动力特性
2.4.2影响翼型空气动力的因素
2.4.3翼型的选择
2.5多旋翼无人机飞行速度受限的原因和翼型设计
2.5.1多旋翼无人机飞行速度受限的主要原因
2.5.2多旋翼无人机桨叶翼型设计
本章小结
习题
第3章DIY 4旋翼无人机组装
3.1DIY多旋翼无人机的基本概念
3.1.1DIY精神和DIY多旋翼无人机的定义
3.1.24旋翼无人机的组成和DIY步骤
3.2DIY 4旋翼无人机部件的要求和选择
3.2.1DIY 4旋翼无人机部件的要求
3.2.2DIY 4旋翼无人机机架、旋翼与动力装置的选择
3.2.3DIY 4旋翼无人机自动驾驶仪的选择
3.2.4DIY 4旋翼无人机传感器的类型
3.2.5DIY 4旋翼无人机遥控系统的选择
3.3DIY 4旋翼无人机的组装
3.3.1DIY 4旋翼无人机组装前的准备工作
3.3.2DIY 4旋翼无人机自制或组装机架
3.3.3DIY 4旋翼无人机整体组装前的准备
3.3.4DIY 4旋翼无人机的整体组装
3.4DIY 4旋翼无人机的调试
3.4.1DIY 4旋翼无人机无桨调试
3.4.2DIY 4旋翼无人机有桨调试
3.5DIY 4旋翼无人机的操作练习
3.5.1飞行前的检查工作
3.5.2DIY 4旋翼无人机基本操作练习
3.5.3DIY 4旋翼无人机日常飞行练习
3.5.4航模模拟器
3.6民用飞机的适航管理
本章小结
习题
第4章多旋翼无人机动力装置
4.1多旋翼无人机动力装置的基本概念
4.1.1多旋翼无人机发动机的分类、功用和要求
4.1.2多旋翼无人机动力装置的组成
4.2直流电动机
4.2.1直流电动机的基本概念
4.2.2无刷直流电机
4.2.3有刷直流电机
4.2.4空心杯电机
4.3航空活塞式发动机
4.3.1航空活塞式发动机的类型和结构
4.3.2航空活塞式发动机的工作系统和原理
4.3.3旋转活塞式发动机
4.3.4航空活塞式发动机的工作特性
4.4涡轮轴发动机
4.4.1涡轮轴发动机的分类和工作原理
4.4.2涡轮轴发动机的基本结构
4.4.3涡轮轴发动机的工作特性
4.4.4多旋翼无人机燃油发动机不同类型的比较
4.5多旋翼无人机燃油系统和滑油系统
4.5.1多旋翼无人机燃油系统
4.5.2多旋翼无人机滑油系统
4.6多旋翼无人机传动系统
4.6.1多旋翼无人机传动系统的结构和部件
4.6.2多旋翼无人机传动系统的动力学和临界转速
4.6.3旋翼/动力/传动系统的动力学问题
本章小结
习题
第5章多旋翼无人机空气动力学
5.1旋翼飞行器空气动力学的基本概念
5.1.1空气动力学的基本概念
5.1.2旋翼飞行器空气动力学的定义、内容和工具
5.2旋翼的几何参数和工作原理
5.2.1旋翼的功用和几何参数
5.2.2旋翼参数的无因次化
5.2.3旋翼的工作原理
5.3旋翼动量理论的基础知识
5.3.1垂直飞行的动量理论
5.3.2前飞时的动量理论
5.4旋翼叶素理论的基础知识
5.4.1垂直飞行的叶素理论
5.4.2前飞时的叶素理论
5.5旋翼经典涡流理论的基础知识
5.5.1垂直飞行的经典涡流理论
5.5.2前飞时的经典涡流理论
5.6旋翼现代涡流理论的基础知识
5.6.1悬停时旋翼自由尾迹分析
5.6.2前飞时旋翼自由尾迹分析
5.7旋翼CFD理论基础知识
5.7.1计算流体力学的定义和特点
5.7.2旋翼流场的控制方程
5.7.3控制方程的离散化方法
本章小结
习题
第6章多旋翼无人机结构动力学
6.1多旋翼无人机结构动力学的基本概念
6.1.1多旋翼无人机结构动力学的定义和特点
6.1.2多旋翼无人机结构动力学的研究方法和模型
6.1.3多旋翼无人机振动的类型
6.1.4简谐振动与谐波分析
6.1.5单自由度系统的自由振动
6.2多旋翼无人机旋翼结构动力学分析
6.2.1旋翼的结构形式
6.2.2多旋翼无人机的旋翼桨叶振动
6.2.3多旋翼无人机旋翼整体振型
6.3多旋翼无人机传动系统结构的动力学分析
6.3.1多旋翼无人机传动轴的临界转速
6.3.2多旋翼无人机传动系统的扭转振动
6.4多旋翼无人机机体结构动力学分析
6.4.1多旋翼无人机机体结构的类型和特点
6.4.2多旋翼无人机机体结构动力学的研究方法
6.4.3多旋翼无人机机体动力学有限元分析
本章小结
习题
第7章多旋翼无人机气动弹性力学
7.1多旋翼无人机气动弹性力学的基本概念
7.1.1多旋翼无人机气动弹性力学的定义和特点
7.1.2非定常气动力基础
7.1.3非定常气动力计算的常用方法
7.2旋翼桨叶运动自由度之间的耦合
7.2.1旋翼桨叶运动自由度耦合的基本概念
7.2.2旋翼桨叶运动自由度耦合的主要形态
7.3多旋翼无人机旋翼气动弹性静力学
7.3.1旋翼气动弹性静力学的基本概念
7.3.2旋翼桨叶发散的基本原理和临界速度
7.4多旋翼无人机旋翼气动弹性动力学
7.4.1旋翼桨叶颤振的基本概念
7.4.2旋翼桨叶的经典颤振
7.4.3旋翼桨叶的失速颤振
7.4.4旋翼桨叶其他类型的耦合稳定性分析
7.5多旋翼无人机旋翼与机体耦合气动弹性稳定性
7.5.1旋翼—机体耦合系统的动不稳定性
7.5.2旋翼—机体耦合振动系统分析
本章小结
习题
第8章多旋翼无人机飞行控制技术
8.1多旋翼无人机飞行控制系统的基本概念
8.1.1多旋翼无人系统的基本概念
8.1.2多旋翼无人机飞行控制的基本概念
8.2多旋翼无人机飞行姿态的数学表示
8.2.1坐标系统与欧拉角
8.2.2旋转矩阵表示方法
8.2.3四元数表示方法
8.2.4多旋翼无人机姿态表示方法的比较
8.3多旋翼无人机飞行动力学建模
8.3.1建模假设和模型结构
8.3.2多旋翼无人机刚体运动学模型和动力学模型
8.3.3多旋翼无人机控制分配模型
8.3.4多旋翼无人机飞行控制通道和线性简化模型
8.4多旋翼无人机PID控制和卡尔曼滤波
8.4.1PID控制的基本概念
8.4.2PID参数调试
8.4.3卡尔曼滤波器
8.5多旋翼无人机的自动飞行控制
8.5.1飞行控制系统的总体结构和分层结构
8.5.2多旋翼无人机位置控制
8.5.3多旋翼无人机姿态控制
8.5.4多旋翼无人机控制分配
8.5.5多旋翼无人机动力控制
本章小结
习题
第9章多旋翼无人机总体设计
9.1多旋翼无人机设计的基本概念
9.1.1多旋翼无人机研制流程和设计定义
9.1.2多旋翼无人机设计的重要性、设计要求和原则
9.1.3多旋翼无人机设计任务和工作要求
9.2多旋翼无人机总体设计及后续过程
9.2.1多旋翼无人机总体设计定义和概念设计
9.2.2多旋翼无人机初步设计和总体设计特点
9.2.3多旋翼无人机详细设计、设计定型和生产定型
9.3多旋翼无人机的类型分析与选择
9.3.1多旋翼无人机的类型分析
9.3.2多旋翼无人机类型的选择
9.4多旋翼无人机总体参数的分析与选择
9.4.1多旋翼无人机旋翼参数的分析与选择
9.4.2多旋翼无人机重量与动力参数的分析与选择
9.5多旋翼无人机总体布局设计
9.5.1多旋翼无人机总体布局设计的任务和要求
9.5.2多旋翼无人机总体布局设计的内容
本章小结
习题
参考文献
第3章DIY 4旋翼无人机组装主要内容(1) DIY精神和DIY 4旋翼无人机。(2) DIY 4旋翼无人机部件的要求和选择。(3) DIY 4旋翼无人机的组装。(4) DIY 4旋翼无人机的调试。(5) DIY 4旋翼无人机的操作练习。3.1DIY多旋翼无人机的基本概念在多旋翼无人机销售市场上,低空、慢速、微轻型多旋翼无人机的销售量快速增加,占到民用无人机市场的绝大多数份额。为了满足不同消费者的需要,商家的销售方法主要有两种: 一种是销售成品机,消费者买回去可以直接放手飞; 另一种销售的不是成品机,而是组装所需软硬件的各种零配件。消费者通过购买、自造将所有零配件收集齐全后,可以自己动手组装出一架属于“自己制造”的无人机。3.1.1DIY精神和DIY多旋翼无人机的定义人类对飞行的梦想是与生俱来的。从载人热气球开始,到飞机再到无人机,人们逐渐实现了盼望已久的蓝天梦。到现在,飞机已经成为人们日常旅行的重要交通工具,而无人机,特别是小型无人机的真正发展时间不超过10年,从有成熟产品到现在不过短短4年,发展速度之快、市场需求之大令人瞠目。1. DIY精神的定义DIY是“Do It Yourself”的英文缩写,兴起于近几年,逐渐成为一种流行。简单来说,DIY就是自己动手,没有性别、年龄的区别,每个人都可以自己做,利用DIY做出来的物品自有一份自在与舒适。DIY起源于欧美,已有50年以上历史。在欧美国家,由于工人薪资非常高,所以一般居家修缮或家具布置,能自己动手做就尽量不找工人,以节省工资费用。国外DIY产品公司通常有一系列相配合的资信、材料、工具等,另外,产品所附的说明书非常详尽,自己动手做的过程不会有任何困难,而DIY产品的配件在超市就可轻易购得,因此,DIY产品就像是一般商品一样,随处可见到。Do It Yourself!这不是一句简单的英文,它代表的是一种精神。什么精神?自己去做,自己体验,挑战自我,享受其中的快乐,这就叫做DIY。DIY有标准吗?没有,没有标准就是DIY较大的标准,它是一种追求个性的表现。有个性的人总喜欢自己鼓捣东西,鼓捣出跟别人不一样的结果,所以说DIY是一种个性精神,这是其能够流行的关键。2. DIY多旋翼无人机的定义最早的多旋翼无人机产品被定义成玩具、航模,因为它不仅很好玩,而且结构简单,制作方便,人人可以DIY。这样,人们与生俱来的飞行梦想通过简单的DIY就能得以实现,因而人们的热情在近两年内很快就被多旋翼无人机点燃起来了。DIY多旋翼无人机是指为自己想要的多旋翼无人机通过网络查找资料,购买材料,经过一番周折和不懈努力,组装完毕,终于试飞成功。不论你是不是一个发烧友,只要你实实在在地动手组装过一架多旋翼无人机,你就体会到了DIY精神,即你就体会到了成功的喜悦及亲手实现飞行梦想所带来的快感。DIY多旋翼无人机精神有多种多样的表现形式,发烧是一种表现,发烧友可以疯狂地“折腾”自己的多旋翼无人机,追求个性的体验,去改造,去发明,去创新,去超越和标新立异,参加比赛争名次,你追我赶破纪录,刺激亢奋,不知疲倦,废寝忘食; 不发烧也是一种表现,只是简简单单地动手组装一架适合自己个性和喜好,满足自己需要的多旋翼无人机,但却在看似平淡的DIY行动中体验到了DIY喜悦,这也是DIY的一种形式。DIY多旋翼无人机没有标准,它没有高手和菜鸟之分,只要适合自己的就好。所谓高手,不过是早接触DIY多旋翼无人机一点; 所谓菜鸟,也只是晚了一点。两者有区别吗?没有,都是DIY,都在享受其中的快乐。因此,只要人们具有一点学习精神和动手能力,稍微了解一点多旋翼无人机的飞行原理、结构、配件和组装知识,就可大胆尝试DIY多旋翼无人机带来的快乐。实际上,即使是新手,在进行DIY多旋翼无人机的实践活动中,很快就会发现只要用心去体会,其实它很简单,简单到会让你乐在其中,流连忘返。万一在DIY过程中遇到了什么困难,也不要泄气,静静心,抬起头,仰望天空,就会心想事成。天空在召唤,大胆往前走,莫回头,坚持到1分钟,与生俱有的“飞行梦想”必定成真。3.1.24旋翼无人机的组成和DIY步骤人们及时次进行DIY多旋翼无人机,大多采用4旋翼无人机的配件组装。原因是它的结构相对简单,目前在市面上非常流行,配件采购方便,而且在网络上建立了不少多旋翼飞行器技术交流群,大家可以在群内相互交流各自的经验和体会,当自己DIY遇到问题时比较容易得到别人的帮助和指点。1. 4旋翼无人机的组成麻雀虽小,五脏俱全。微轻型4旋翼无人机与大中型无人机的总体结构是一样的,都要在机身上安装起落装置、旋翼系统、动力装置、数据链路系统、飞行自控系统以及任务设备等。一个典型的微轻型4旋翼无人机包括以下基本组成部分(如图31所示)。
图31微轻型4旋翼无人机组成示意图
(1) 机架: 也称为机体,是4旋翼无人机的主体结构,机身和起落装置一般合为一体。(2) 旋翼系统: 采用空气螺旋桨。(3) 动力装置: 包括电机、电调和电池。(4) 自动驾驶仪: 也称飞控,包括飞行控制系统和传感器。(5) 遥控系统: 包括遥控接收机和发射机。(6) 任务设备: 主要有增稳云台、GPS导航仪、照相机、摄像机、黑匣子、图像传输系统和防撞安全防护系统等。2. DIY 4旋翼无人机的步骤微轻型4旋翼无人机属于玩具航模类型,制作简单、价格便宜,飞行高度低、速度慢,容易操纵控制,深受人们的喜爱,具有广泛的群众基础,比较适合于人们DIY。特别是经过近几年的发展,已经出现了一批DIY 4旋翼无人机爱好者和发烧友,他们成功的实践经验和心得对于初学者很有启发和帮助,可以增加初学者的信心; 另外,目前在DIY 4旋翼无人机零部件市场上,其对应的器件也极为丰富,有心玩DIY 4旋翼无人机者,即使是初学者都不必担心买不到合适的零配件或缺少相关资料。DIY 4旋翼无人机的步骤一般可归纳为以下几个环节。(1) 选材。市面上有太多的DIY 4旋翼无人机所需的软硬件和各种材料可供选择。初学者要根据自己的经济情况和装机目标慎重选择,要坚持先易后难,量力而为,货比三家的原则。有些可以自己制造的则要尽量自制,因为自制所带来的乐趣和自豪感是无论花多少钱也买不来的。(2) 组装。所有零部件、材料和工具都准备齐全以后,就可以动手组装了。组装过程要严格按产品说明、安装要求和规范标准,按部就班,有条不紊,一丝不苟地进行,以保障产品质量,确保以后的飞行安全。(3) 调试。调试工作分无桨调试和有桨调试两个环节,目的是通过调试手段检查、发现、修正在选材和组装环节中可能存在的质量问题。(4) 模拟飞行。使用航模模拟器,通过计算机虚拟的飞行操作来模拟飞行控制,达到熟悉4旋翼无人机真实飞行操作的目的,既能保障飞行安全,又解决了场地限制和电池损耗等实际问题。(5) 试飞。试飞是DIY 4旋翼无人机过程最令人期盼、兴奋和忐忑不安的一步。事先要拟定好试飞计划、试飞大纲或规范,做好应急预案,找一个比较空旷平坦的场地,然后进行正式试飞。试飞时先做一些简单的动作,如起飞、升降和悬停等,后做难度比较大的动作,如俯仰、前飞、偏航和翻滚等。3.2DIY 4旋翼无人机部件的要求和选择DIY 4旋翼无人机对零部件的要求和选择主要取决于总体目标要求,即打算组装一架什么样的无人机。能反映总体目标要求最重要的两大指标是功能要求和非功能要求(性能)。在DIY 4旋翼无人机的过程中,所有的工作都是围绕着这两大指标进行的,对零部件的选择工作更是如此。3.2.1DIY 4旋翼无人机部件的要求DIY 4旋翼无人机所涉及的功能要求和非功能要求(性能)是确定其飞行使用范围最关键的因素,也是DIY时选择软硬部件最重要的依据。1. 功能要求功能要求描述4旋翼无人机所应提供的功能,包括它应该提供的服务,能搭载多少任务设备,能完成哪些任务等。2. 性能要求作为功能要求的补充,非功能要求是指那些与具体功能相关的另一类要求,但它们只与4旋翼无人机的总体特性相关,即它的性能,如性、稳定性、安全性、较大飞行速度、升限、较大航程、较大载重、留空时间、抗风能力、图传清晰度、存储空间等。与关心4旋翼无人机个别特定的功能要求相比,性能要求关心的是整体特性,因而性能要求更关键。一个功能要求得不到满足会降低它的能力,但一个性能要求得不到满足则有可能使它根本无法飞行。3. 强度要求任何一种飞行器首先要保障其性,这方面的要求要比一般的地面机械高得多,这是可以理解的。而性中首要的问题是强度,各受力构件及其组合必须能承受在各种飞行状态中及着陆时可能遇到的冲击载荷。除此以外还有刚度的要求。这一点对机架和旋翼系统等承力结构特别重要。4. 重量要求这个要求是航空结构与地面机械相比最突出的特点。4旋翼无人机由于受到电机功率、气动性能及结构强度的限制,较大起飞重量是一定的,因而结构越轻,则所能承载的任务设备也就越多,越能更好地执行任务,改善飞行的经济性。5. 空气动力要求4旋翼无人机是一种在空气中飞行的飞行器,它的升力、前进所需的推力以及控制其飞行的力和力矩都是由空气动力来提供的,这样,对于构成气动外形的部件就有空气动力方面的要求: 气动效率高、废阻小等。这个要求会影响部件的外形及结构,要求结构具有足够的表面局部刚度,以便于达到较高的外形度等。对于一个具体的DIY 4旋翼无人机方案而言,以上这些要求往往是相互矛盾的。例如强度、刚度的要求和最小重量的要求显然就是相互矛盾的; 而在保障强度、刚度的前提下要求结构重量最小,往往会使结构的形状复杂化,从空气动力的角度来说,这样做的结果往往会导致废阻的增加。因此在选择部件时必须妥善地处理这些矛盾,综合协调,折中权衡,寻求最合理的处理方索。3.2.2DIY 4旋翼无人机机架、旋翼与动力装置的选择1. 机架
DIY 4旋翼无人机的机架将飞行器的机身和起落装置融为一体,是无人机飞行和起降的基础平台,所有的部件和设备都要安装在机架上面。机架下方安装有起落架,用于支撑全机重量,避免螺旋桨离地太近而发生触碰,以及消耗和吸收4旋翼无人机在着陆时的撞击能量。1) 机架的作用(1) 提供部件安装接口。这些接口包括安装和固定电机、电调、飞控板的螺丝孔。(2) 提供整体的、稳定和坚固的飞行平台。(3) 安装起落架等缓冲装备,提供安全的起飞、降落条件,避免机上的仪器设备受到损坏。(4) 提供安全保护装置,保护人员和其他物体不会触碰到旋转中的螺旋桨。2) 机架的基本结构4旋翼无人机的机架可分为机臂、中心板两部分。4个机臂用螺丝与中心板结合为一体,构成机架。其中机臂圆形末端安装有电机,另一端与中心板相连,中心板上搭载飞行控制板、接收机、电池等设备。为保障飞行性能,目前市场上的机架多为十字对称型,也有少数轴对称型。而出于强度和厂家生产成本考虑,中心板多使用玻璃纤维板制作,机臂多使用尼龙材料制作。如果对重量和强度的要求比较高,可使用更为昂贵的碳纤维材料制作机架。机架轴距是指对角线两个螺旋桨中心的距离,其单位通常是毫米(mm),用于表达机架的尺寸大小。3) 机架的材质(1) 塑胶机架: 塑胶机架由塑胶制作而成,主要特点是具有一定的刚度和强度,同时又有一定的可弯曲度。其材质适合初学者的摔摔打打,相对来说较为廉价。(2) 玻璃纤维机架: 玻璃纤维机架的强度比塑胶机架的强度要高,常常制作为长长的管道形,而且需要的材料很少,可减少机架的重量。(3) 碳纤维机架: 碳纤维机架与玻璃纤维的机架相差无几,具有强度高、重量轻等优点。(4) 钢制或铝合金机架: 钢制或铝合金机架比较适合于自制。4) 成品机架的选购市场有现成的机架出售,上面有各种螺丝孔,买回来只需要将各种设备连接上去,并拧上螺丝即可进行调试,大大简化了安装过程。(1) F450、F550机架: F450和F550机架是深圳大疆创新公司为了满足大多数航模爱好者而开发的机架,包括4个悬臂、一块下板和一块上板。悬臂上主要安装电机、电调和连接上板与下板。在下板上已经设计好了相应电路,可给4个电调供电。上板可以用来安装飞控和接收器等。数字450代表机架轴距,即F450,轴距450mm; F550,轴距550mm。(2) X450机架: X450的4个悬臂采用了管式结构,重量较轻、外形美观。5) 自制机架除了到市场上购买成品机架外,还有许多人自己动手,利用废弃的硬盘盒、玻璃钢、铝片等材料自行加工机架。自制的机架在重量、强度、刚度等性能特征上可以做得比买来的成品机架一点也不逊色,而在外形美观上则往往更具个性,结实耐用,美观大方。自制机架的做法值得大力提倡。如果起飞重量大于4kg,建议电机臂碳管不小于16mm或以上,机架碳板厚度达到1.5mm或以上。2. 旋翼系统与电动机1) 桨片DIY 4旋翼无人机的旋翼系统是指它的空气螺旋桨,它由电机驱动高速旋转产生升力。其外形结构非常简单,两片桨叶由中间的桨毂固定在一起构成一个整体,称为桨片。4旋翼无人机有4个旋翼,每个旋翼都只有一个桨片,全机总共有4 个桨片,其中有两个为正浆,另外两个为反浆。桨叶的横剖面是翼型,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,称为螺距。常用桨片的尺寸有1145、1045、9047、8045等,其中4位数字的前两位代表直径,后两位代表螺距。如1045桨片的直径为10英寸,而螺距为4.5英寸,较大转速为10500转/分钟。2) 电动机电动机是4旋翼无人机的动力来源。电机类型分有刷电机和无刷电机两种,DIY 4旋翼无人机需要的是无刷电机。与传统的有刷电机不同,无刷电机属于外转子电机,也就是说,工作的时候是电机的外壳在转动,而不是内部的线圈(如图32所示)。这样带来了电机维护上的方便。同时,无刷电机在扭力、转速方面都有比较优越的特性。无刷电机采用半导体开关器件(电调)来实现电子换向,具有性高、无换向火花、机械噪声低等优点。常见的品牌有好盈、中特威、新西达等。
图32无刷电机电路图
(1) 尺寸: 无刷电机在型号命名上用4位数字来表示它的尺寸,如2212、2018电机等。前面两位数是电机转子的直径,后面两位数是电机转子的高度。形象地讲,前面两位越大,电机越肥; 后面两位越大,电机越高。又高又大的电机,功率就大。例如常用的新西达2212电机,表示直径为22mm,转子的高度为12mm。一般而言,越大的电机,其转速和扭力也就越大。(2) 标称空载KV值: 无刷电机KV值定义为“转速/伏特”,意思是输入电压增加1伏特,无刷电机空转转速增加的转速值。例如: 1000KV电机,外加1V电压,电机空转时每分钟转1000转; 外加2V电压,电机空转就2000转了; 电压为11V的时候,电机的空转转速达到11000转/分。KV值越大,速度越快,扭力越小; KV值越小,速度越慢,扭力越大。单从KV值,无法评价电机的好坏,因为不同KV值适用不同尺寸的螺旋桨。(3) 电压: 把一节锂电池的电压3.7V称作一个S,微微型4旋翼无人机的电机常用1S电池驱动,而较大些的4旋翼无人机的无刷电机一般采用2~3S,也就是7.4~11.1V来驱动。一般的无刷电机都可以支持2~3S的电压,其中最常用的配置还是3S的锂电,也就是11.1V。3. 电调电调全称为电子调速器(ESC),是连接飞控板和电机的部件,它是多旋翼无人机最重要的部件之一。无刷电机应该选用无刷电调。无刷电调的输入是直流,可以接锂电池; 输出是三相交流,直接与电机的三相输入端相连。如果上电后,电机反转,只需要把这三根线中的任意两根对换位置即可。电调还有三根信号线连出,用来与接收机连接,控制电机的运转。1) 电调功能(1) 电机调速: 电调最基本的功能是电机调速,就是将飞控板的控制信号,转变为电流的大小,以控制电机的转速。因为电机的电流是很大的,通常每个电机正常工作时平均有3A左右的电流,如果没有电调的存在,飞控板根本无法承受这样大的电流。(2) 变压供电: 电调的第二个功能是充当变压器,将11.1V电压转变为5V,为飞控板和遥控接收机供电。每个电调上面都会标出能够提供的电流值,如20A、40A。大电流的电调可以兼容用在小电流的地方,但小电流电调不能超标使用。(3) 电源转化: 电调的第三个功能是充当换相器的角色,因为无刷电机没有电刷进行换相(直流电源转化为三相电源供给无刷电机,并对无刷电机起调速作用),所以需要靠电调进行电子换相。(4) 其他功能: 电调还有一些其他辅助功能,如电池保护、启动保护、刹车等。2) 电调参数(1) 功率: 无刷电调最主要的参数是电调的功率,通常以安培数A来表示,如10A、20A、30A。不同的电机需要配备不同安培数的电调,安培数不足会导致电调甚至电机烧毁。(2) 电流: 无刷电调有持续电流和X秒内瞬时电流两个重要参数,前者表示正常时的电流,而后者表示X秒内能容忍的较大电流。选择电调型号的时候一定要注意电调较大电流的大小是否满足要求,是否留有足够的安全裕度容量,以避免电调上面的功率管烧坏。(3) 内阻: 电调具有相应的内阻,其发热功率需要得到注意。有些电调的电流可以达到几十安培,由于发热功率是电流的平方的函数,所以电调的散热性能也十分重要,因此大规格电调的内阻一般都比较小。(4) 刷新频率: 电机的响应速度与电调的刷新速率有很大关系。在多旋翼无人机开始发展之前,电调多为航模飞机而设计,航模飞机上的舵机由于结构复杂,工作频率较大为50Hz。相应地,电调的刷新速率也都为50Hz。多旋翼无人机与其他类型飞机不同,不使用舵机,而是由电调直接驱动电机,其响应速度远超舵机。目前,具备UltraPWM功能的电调可支持高达500Hz的刷新频率。3) 可编程特性通过内部参数设置,可以达到的电调性能。设置的参数包括: 电池低压断电电压设定、电流限定设定、刹车模式设定、油门控制模式、切换时序设定、断电模式设定、起动方式设定以及PWM模式设定等。通常有三种方式可对电调参数进行设置。(1) 可以通过编程卡直接设置电调参数。(2) 通过USB连接,用电脑软件设置电调参数。(3) 通过接收器,用遥控器摇杆设置电调参数。4) 常用电调分类无刷电调的种类按品牌分,常用的有好盈、银燕、新西达、中特威等,还有一些较为昂贵的电调,如蝎子和凤凰等。按照功率分为30A、40A、50A、60A、80A和120A电调等。不同功率的电调要对应不同的电机,否则会出现电机转速不足或烧坏电调的情况。4. 电池电池主要用于提供能量,属于易耗品,也是后期投入比较多的一个部件。可用来作多旋翼无人机动力的电池种类很多,常见的有锂电池(LiPo)和镍氢电池(NiMh),主要源于其优良的性能和便宜的价格优势。然而,对于多旋翼无人机而言,电池单位重量的能量载荷很大程度上限制了其飞行时间和任务拓展,续航时间不够,其关键就在于电池容量较小。在相同电池容量的情况下,锂电最轻,效率较高,因此多旋翼无人机大多都选择锂电池; 电池品牌的选择除了受机架尺寸限制外,还要注意以下几个参数。1) 电池电压锂电池组包含电池和锂电池保护线路两部分(如图33所示)。
图33锂电池电芯组合方式
(1) 锂电池单节电压为3.7V,3S1P表示三片锂聚合物电池的串联,电压是11.1V,其中S表示串联,P表示并联。又如2S2P电池表示2片锂聚合物电池的串联,然后两个这样的串联结构并联,总电压是7.4V,电流是单个电池的两倍,如图33所示。(2) 不仅在放电过程中电压会下降,而且由于电池本身具有内阻,其放电电流越大,由于自身内阻导致的压降就越大,所以输出的电压就越小。2) 电池容量电池容量用毫安时(mAh)表示,电池的容量越大,存储的能量就越大,可以提供的续航时间就越长,不过相应的重量也越大。例如1000mAh电池,以1000mA放电,可持续放电1小时; 如果以500mA放电,可以持续放电2小时。随着放电过程的进行,电池的放电能力在下降,其输出电压也会缓慢下降,所以导致其剩余容量与放电时间并非是线性关系。单电芯充满电时的电压为4.2V,放电完毕会降至3.0V(再低可能过放导致电池损坏),一般无人机在3.6V时会有电量报警。在多旋翼无人机实际飞行过程中,有两种方式检测电池的剩余容量是否满足飞行安全的要求。一种方式是检验电池单节电压,另一种方式是实时检测电池输出电流并做积分计算。3) 放电倍率电池放电能力是普通锂电池和动力锂电池最重要的区别,动力锂电池需要很大的电流放电。电池充放电电流的大小用充放电倍率来表示,它是充放电快慢的一种量度,其单位为C,计算公式为充放电倍率=充放电电流/额定容量。例如额定容量为100mAh的电池用20A放电时,放电倍率为0.2C; 1000mAh电池,放电倍率为5C,则电池可以5000mAh的电流强度放电。锂聚合物电池一般属于高倍率电池。实际使用中,所用电池的容量1小时放电完毕,称为1C放电; 5小时放电完毕,则称为1/5=0.2C放电。容量5000毫安时的电池较大放电倍率为20C。这很重要,如果用低C的电池进行大电流放电,电池会迅速损坏,甚至自燃。另外,不能让一块电池把它的电量放完,如果这样的话,这块电池就废掉了,当11.1V电池电压降低到10V时好更换电池。4) 充电倍率C也表示锂电池充电倍率,只是将放电变成了充电,如1000mAh电池,2C快充,就代表要用2000mAh的电流来充电。充电时要注意: 千万不要因为图快而贸然用大电流,或超过规定参数充电,不然电池很容易损坏。5) 电池内阻电池的内阻主要由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成,与电池的尺寸、结构、装配等有关。电池的内阻不是常数,在充放电过程中随时间不断变化,并且不是线性关系,常随电流密度的对数增大而线性增加。电池的内阻很小,一般用毫欧的单位来定义它。正常情况下,内阻小的电池的放电能力强,内阻大的电池放电能力弱。6) 平衡充电器由于4旋翼无人机电池的电流极大,其专用电池是不能用普通充电器的,必须要用平衡充电器。常用的11.1V的锂电池由三节3.7V的锂电组成,因为制造工艺原因,每节电池的充电放电特性都有差异,在电池串联的情况下,容易造成某节电池放电过度或充电过度。解决办法是分别对内部单节电池充电,平衡充电器就是起这个作用的,即采用平衡充电器来分别充其中的每一个S,也就是每一个放电单元,这样能保护电池。经验表明,DIY 4旋翼无人机常用2200mAh、3S、25C的电池。值得注意的是,市面上杂牌动力电池虚标、掉电压、虚焊问题严重,应尽量选择知名厂家的品质电池,避免空中掉电摔机造成更大的损失。5. 电机与螺旋桨的匹配多旋翼无人机采用的螺旋桨越大,升力越大,但对应需要更大的力量来驱动; 螺旋桨转速越高,升力越大; 电机的KV越小,转动力量就越大。为了用转速来弥补升力不足,大螺旋桨就需要采用低KV电机,小螺旋桨就需要采用高KV电机。如果高KV带大桨,力量不够,电机和电调很容易烧掉。如果低KV电机带小桨,就没有问题,但升力不够,可能造成无法起飞。因此,在选择电调时,要注意电调和电机的匹配问题,原则上电调的电流要和电机的峰值相同,好是大一点(但不能过大)。不同的电机需要使用对应的桨片,如表31中所示。
表31电机与桨片的选择对应关系
电机(KV值)桨片
800~10001110英寸桨1000~120010~9英寸桨1200~18009~8英寸桨1800~22008~7英寸桨2200~26007~6英寸桨(注意桨强度,当心射桨)2600~28006~5英寸桨(注意桨强度,当心射桨)2800以上建议使用9050剪桨(注意桨强度,当心射桨)
3.2.3DIY 4旋翼无人机自动驾驶仪的选择1. 自动驾驶仪的功能和结构
自动驾驶仪(也称为飞控板)是DIY 4旋翼无人机的核心部件,主要作用是处理飞行参数,控制飞行过程中的稳定和运动方向。当4旋翼无人机在空中飞行时,飞控需要识别遥控器或自动控制的信号,计算当前的姿态,并且将当前的姿态与遥控器要求达到的姿态进行对比,从而计算出电机需要做出的反应,给电调发送信号调节电机转速,实现控制改变飞行姿态的功能(如图34所示)。
图344旋翼无人机飞控结构示意图
(1) 功能。自动驾驶仪的功能主要归结为以下几方面。① 导航: 导航就是解决“在哪儿”的问题。如何发挥自动驾驶仪上各种传感器的优势,综合分析判断得到的位