針對“大眾創業、萬眾創新”的新時代培養高級人才、創新型人才和復合型人才的需要,本書系統而地介紹了多旋翼無人機技術基礎的主要內容和知識體系。全書共分9章,主要內容包括概述、多旋翼無人機飛行原理和翼型設計、DIY 4旋翼無人機組裝、多旋翼無人機動力裝置、多旋翼無人機空氣動力學、多旋翼無人機結構動力學、多旋翼無人機氣動彈性力學、多旋翼無人機飛行控制技術和多旋翼無人機總體設計。每一章節后都給出了該章的小結和習題。 本書取材來源于實踐,選材新穎、內容豐富、概念清楚易懂,具有很強的可操作性,既適合作為高等院校相關專業大學生的專業基礎課程教材,也適合作為相關專業研究生及從事多旋翼無人機科研、生產和培訓機構工作人員,以及廣大航模愛好者的學習培訓教材,對于希望了解多旋翼無人機知識的其他讀者,本書也是一本較好的參考讀物。
近年來,多旋翼無人機作為航空領域一枝新秀,引起了人們越來越多的關注和重視,風行全球,迅速成為新的創業、創新研究熱點。其產品在國內外市場上商機無限,世界各國掀起了一股研發和廣泛應用的熱潮。特別是屬于消費級的微型機,操作簡單、價格便宜,市場上有眾多適合個人自己動手組裝(DIY)的成套軟硬配件出售,只要自己動動手,經過簡單的組裝,就能實現每個人自幼就有的“飛行夢想”。但實際上,多旋翼無人機屬于一種電子自動化和智能化控制的高科技產品,技術含量相當高,其研制設計和應用發展等技術問題需要引起大家足夠的重視。作者緊密結合當前實際,根據自己40多年從事相關方面工作的經驗編寫了這本教材,系統地介紹了多旋翼無人機基本技術的方方面面,使學生對多旋翼無人機能有一個的認識。因此,本書的正式出版,既解決了教材缺乏的問題,也有助于同學們提高對“大眾創業、萬眾創新”精神的認識。
目錄
第1章概述
1.1與多旋翼無人機相關的基本概念
1.1.1基本的物理概念和定律
1.1.2系統論的基本概念
1.1.3控制論的基本概念
1.2多旋翼無人機系統的基本概念
1.2.1多旋翼無人機的定義
1.2.2多旋翼無人機系統及其飛行機組
1.3多旋翼無人機的構型、用途及分類
1.3.1多旋翼無人機的構型和用途
1.3.2多旋翼無人機的分類
1.4多旋翼無人機的發展歷程和市場前景
1.4.1多旋翼無人機的發展歷程
1.4.2多旋翼無人機市場
1.4.3多旋翼無人機的典型案例
1.5民用多旋翼無人機飛行管理
1.5.1航空空域的劃分
1.5.2與民用多旋翼無人機飛行相關的法律問題
1.5.3民用多旋翼無人機飛行管理文件
本章小結
習題
第2章多旋翼無人機的飛行原理和翼型設計
2.1多旋翼無人機的飛行原理和控制方式
2.1.1多旋翼無人機的飛行原理
2.1.2多旋翼無人機的飛行控制
2.2多旋翼無人機的特點和對比分析
2.2.1多旋翼無人機的特點
2.2.2多旋翼無人機的對比分析
2.3翼型的幾何參數和主要類型
2.3.1翼型的定義和幾何參數
2.3.2空氣在翼型表面的流動和壓力分布
2.3.3翼型的主要類型
2.4翼型空氣動力特性和影響因素
2.4.1翼型空氣動力特性
2.4.2影響翼型空氣動力的因素
2.4.3翼型的選擇
2.5多旋翼無人機飛行速度受限的原因和翼型設計
2.5.1多旋翼無人機飛行速度受限的主要原因
2.5.2多旋翼無人機槳葉翼型設計
本章小結
習題
第3章DIY 4旋翼無人機組裝
3.1DIY多旋翼無人機的基本概念
3.1.1DIY精神和DIY多旋翼無人機的定義
3.1.24旋翼無人機的組成和DIY步驟
3.2DIY 4旋翼無人機部件的要求和選擇
3.2.1DIY 4旋翼無人機部件的要求
3.2.2DIY 4旋翼無人機機架、旋翼與動力裝置的選擇
3.2.3DIY 4旋翼無人機自動駕駛儀的選擇
3.2.4DIY 4旋翼無人機傳感器的類型
3.2.5DIY 4旋翼無人機遙控系統的選擇
3.3DIY 4旋翼無人機的組裝
3.3.1DIY 4旋翼無人機組裝前的準備工作
3.3.2DIY 4旋翼無人機自制或組裝機架
3.3.3DIY 4旋翼無人機整體組裝前的準備
3.3.4DIY 4旋翼無人機的整體組裝
3.4DIY 4旋翼無人機的調試
3.4.1DIY 4旋翼無人機無槳調試
3.4.2DIY 4旋翼無人機有槳調試
3.5DIY 4旋翼無人機的操作練習
3.5.1飛行前的檢查工作
3.5.2DIY 4旋翼無人機基本操作練習
3.5.3DIY 4旋翼無人機日常飛行練習
3.5.4航模模擬器
3.6民用飛機的適航管理
本章小結
習題
第4章多旋翼無人機動力裝置
4.1多旋翼無人機動力裝置的基本概念
4.1.1多旋翼無人機發動機的分類、功用和要求
4.1.2多旋翼無人機動力裝置的組成
4.2直流電動機
4.2.1直流電動機的基本概念
4.2.2無刷直流電機
4.2.3有刷直流電機
4.2.4空心杯電機
4.3航空活塞式發動機
4.3.1航空活塞式發動機的類型和結構
4.3.2航空活塞式發動機的工作系統和原理
4.3.3旋轉活塞式發動機
4.3.4航空活塞式發動機的工作特性
4.4渦輪軸發動機
4.4.1渦輪軸發動機的分類和工作原理
4.4.2渦輪軸發動機的基本結構
4.4.3渦輪軸發動機的工作特性
4.4.4多旋翼無人機燃油發動機不同類型的比較
4.5多旋翼無人機燃油系統和滑油系統
4.5.1多旋翼無人機燃油系統
4.5.2多旋翼無人機滑油系統
4.6多旋翼無人機傳動系統
4.6.1多旋翼無人機傳動系統的結構和部件
4.6.2多旋翼無人機傳動系統的動力學和臨界轉速
4.6.3旋翼/動力/傳動系統的動力學問題
本章小結
習題
第5章多旋翼無人機空氣動力學
5.1旋翼飛行器空氣動力學的基本概念
5.1.1空氣動力學的基本概念
5.1.2旋翼飛行器空氣動力學的定義、內容和工具
5.2旋翼的幾何參數和工作原理
5.2.1旋翼的功用和幾何參數
5.2.2旋翼參數的無因次化
5.2.3旋翼的工作原理
5.3旋翼動量理論的基礎知識
5.3.1垂直飛行的動量理論
5.3.2前飛時的動量理論
5.4旋翼葉素理論的基礎知識
5.4.1垂直飛行的葉素理論
5.4.2前飛時的葉素理論
5.5旋翼經典渦流理論的基礎知識
5.5.1垂直飛行的經典渦流理論
5.5.2前飛時的經典渦流理論
5.6旋翼現代渦流理論的基礎知識
5.6.1懸停時旋翼自由尾跡分析
5.6.2前飛時旋翼自由尾跡分析
5.7旋翼CFD理論基礎知識
5.7.1計算流體力學的定義和特點
5.7.2旋翼流場的控制方程
5.7.3控制方程的離散化方法
本章小結
習題
第6章多旋翼無人機結構動力學
6.1多旋翼無人機結構動力學的基本概念
6.1.1多旋翼無人機結構動力學的定義和特點
6.1.2多旋翼無人機結構動力學的研究方法和模型
6.1.3多旋翼無人機振動的類型
6.1.4簡諧振動與諧波分析
6.1.5單自由度系統的自由振動
6.2多旋翼無人機旋翼結構動力學分析
6.2.1旋翼的結構形式
6.2.2多旋翼無人機的旋翼槳葉振動
6.2.3多旋翼無人機旋翼整體振型
6.3多旋翼無人機傳動系統結構的動力學分析
6.3.1多旋翼無人機傳動軸的臨界轉速
6.3.2多旋翼無人機傳動系統的扭轉振動
6.4多旋翼無人機機體結構動力學分析
6.4.1多旋翼無人機機體結構的類型和特點
6.4.2多旋翼無人機機體結構動力學的研究方法
6.4.3多旋翼無人機機體動力學有限元分析
本章小結
習題
第7章多旋翼無人機氣動彈性力學
7.1多旋翼無人機氣動彈性力學的基本概念
7.1.1多旋翼無人機氣動彈性力學的定義和特點
7.1.2非定常氣動力基礎
7.1.3非定常氣動力計算的常用方法
7.2旋翼槳葉運動自由度之間的耦合
7.2.1旋翼槳葉運動自由度耦合的基本概念
7.2.2旋翼槳葉運動自由度耦合的主要形態
7.3多旋翼無人機旋翼氣動彈性靜力學
7.3.1旋翼氣動彈性靜力學的基本概念
7.3.2旋翼槳葉發散的基本原理和臨界速度
7.4多旋翼無人機旋翼氣動彈性動力學
7.4.1旋翼槳葉顫振的基本概念
7.4.2旋翼槳葉的經典顫振
7.4.3旋翼槳葉的失速顫振
7.4.4旋翼槳葉其他類型的耦合穩定性分析
7.5多旋翼無人機旋翼與機體耦合氣動彈性穩定性
7.5.1旋翼—機體耦合系統的動不穩定性
7.5.2旋翼—機體耦合振動系統分析
本章小結
習題
第8章多旋翼無人機飛行控制技術
8.1多旋翼無人機飛行控制系統的基本概念
8.1.1多旋翼無人系統的基本概念
8.1.2多旋翼無人機飛行控制的基本概念
8.2多旋翼無人機飛行姿態的數學表示
8.2.1坐標系統與歐拉角
8.2.2旋轉矩陣表示方法
8.2.3四元數表示方法
8.2.4多旋翼無人機姿態表示方法的比較
8.3多旋翼無人機飛行動力學建模
8.3.1建模假設和模型結構
8.3.2多旋翼無人機剛體運動學模型和動力學模型
8.3.3多旋翼無人機控制分配模型
8.3.4多旋翼無人機飛行控制通道和線性簡化模型
8.4多旋翼無人機PID控制和卡爾曼濾波
8.4.1PID控制的基本概念
8.4.2PID參數調試
8.4.3卡爾曼濾波器
8.5多旋翼無人機的自動飛行控制
8.5.1飛行控制系統的總體結構和分層結構
8.5.2多旋翼無人機位置控制
8.5.3多旋翼無人機姿態控制
8.5.4多旋翼無人機控制分配
8.5.5多旋翼無人機動力控制
本章小結
習題
第9章多旋翼無人機總體設計
9.1多旋翼無人機設計的基本概念
9.1.1多旋翼無人機研制流程和設計定義
9.1.2多旋翼無人機設計的重要性、設計要求和原則
9.1.3多旋翼無人機設計任務和工作要求
9.2多旋翼無人機總體設計及后續過程
9.2.1多旋翼無人機總體設計定義和概念設計
9.2.2多旋翼無人機初步設計和總體設計特點
9.2.3多旋翼無人機詳細設計、設計定型和生產定型
9.3多旋翼無人機的類型分析與選擇
9.3.1多旋翼無人機的類型分析
9.3.2多旋翼無人機類型的選擇
9.4多旋翼無人機總體參數的分析與選擇
9.4.1多旋翼無人機旋翼參數的分析與選擇
9.4.2多旋翼無人機重量與動力參數的分析與選擇
9.5多旋翼無人機總體布局設計
9.5.1多旋翼無人機總體布局設計的任務和要求
9.5.2多旋翼無人機總體布局設計的內容
本章小結
習題
參考文獻
第3章DIY 4旋翼無人機組裝主要內容(1) DIY精神和DIY 4旋翼無人機。(2) DIY 4旋翼無人機部件的要求和選擇。(3) DIY 4旋翼無人機的組裝。(4) DIY 4旋翼無人機的調試。(5) DIY 4旋翼無人機的操作練習。3.1DIY多旋翼無人機的基本概念在多旋翼無人機銷售市場上,低空、慢速、微輕型多旋翼無人機的銷售量快速增加,占到民用無人機市場的絕大多數份額。為了滿足不同消費者的需要,商家的銷售方法主要有兩種: 一種是銷售成品機,消費者買回去可以直接放手飛; 另一種銷售的不是成品機,而是組裝所需軟硬件的各種零配件。消費者通過購買、自造將所有零配件收集齊全后,可以自己動手組裝出一架屬于“自己制造”的無人機。3.1.1DIY精神和DIY多旋翼無人機的定義人類對飛行的夢想是與生俱來的。從載人熱氣球開始,到飛機再到無人機,人們逐漸實現了盼望已久的藍天夢。到現在,飛機已經成為人們日常旅行的重要交通工具,而無人機,特別是小型無人機的真正發展時間不超過10年,從有成熟產品到現在不過短短4年,發展速度之快、市場需求之大令人瞠目。1. DIY精神的定義DIY是“Do It Yourself”的英文縮寫,興起于近幾年,逐漸成為一種流行。簡單來說,DIY就是自己動手,沒有性別、年齡的區別,每個人都可以自己做,利用DIY做出來的物品自有一份自在與舒適。DIY起源于歐美,已有50年以上歷史。在歐美國家,由于工人薪資非常高,所以一般居家修繕或家具布置,能自己動手做就盡量不找工人,以節省工資費用。國外DIY產品公司通常有一系列相配合的資信、材料、工具等,另外,產品所附的說明書非常詳盡,自己動手做的過程不會有任何困難,而DIY產品的配件在超市就可輕易購得,因此,DIY產品就像是一般商品一樣,隨處可見到。Do It Yourself!這不是一句簡單的英文,它代表的是一種精神。什么精神?自己去做,自己體驗,挑戰自我,享受其中的快樂,這就叫做DIY。DIY有標準嗎?沒有,沒有標準就是DIY較大的標準,它是一種追求個性的表現。有個性的人總喜歡自己鼓搗東西,鼓搗出跟別人不一樣的結果,所以說DIY是一種個性精神,這是其能夠流行的關鍵。2. DIY多旋翼無人機的定義最早的多旋翼無人機產品被定義成玩具、航模,因為它不僅很好玩,而且結構簡單,制作方便,人人可以DIY。這樣,人們與生俱來的飛行夢想通過簡單的DIY就能得以實現,因而人們的熱情在近兩年內很快就被多旋翼無人機點燃起來了。DIY多旋翼無人機是指為自己想要的多旋翼無人機通過網絡查找資料,購買材料,經過一番周折和不懈努力,組裝完畢,終于試飛成功。不論你是不是一個發燒友,只要你實實在在地動手組裝過一架多旋翼無人機,你就體會到了DIY精神,即你就體會到了成功的喜悅及親手實現飛行夢想所帶來的快感。DIY多旋翼無人機精神有多種多樣的表現形式,發燒是一種表現,發燒友可以瘋狂地“折騰”自己的多旋翼無人機,追求個性的體驗,去改造,去發明,去創新,去超越和標新立異,參加比賽爭名次,你追我趕破紀錄,刺激亢奮,不知疲倦,廢寢忘食; 不發燒也是一種表現,只是簡簡單單地動手組裝一架適合自己個性和喜好,滿足自己需要的多旋翼無人機,但卻在看似平淡的DIY行動中體驗到了DIY喜悅,這也是DIY的一種形式。DIY多旋翼無人機沒有標準,它沒有高手和菜鳥之分,只要適合自己的就好。所謂高手,不過是早接觸DIY多旋翼無人機一點; 所謂菜鳥,也只是晚了一點。兩者有區別嗎?沒有,都是DIY,都在享受其中的快樂。因此,只要人們具有一點學習精神和動手能力,稍微了解一點多旋翼無人機的飛行原理、結構、配件和組裝知識,就可大膽嘗試DIY多旋翼無人機帶來的快樂。實際上,即使是新手,在進行DIY多旋翼無人機的實踐活動中,很快就會發現只要用心去體會,其實它很簡單,簡單到會讓你樂在其中,流連忘返。萬一在DIY過程中遇到了什么困難,也不要泄氣,靜靜心,抬起頭,仰望天空,就會心想事成。天空在召喚,大膽往前走,莫回頭,堅持到1分鐘,與生俱有的“飛行夢想”必定成真。3.1.24旋翼無人機的組成和DIY步驟人們及時次進行DIY多旋翼無人機,大多采用4旋翼無人機的配件組裝。原因是它的結構相對簡單,目前在市面上非常流行,配件采購方便,而且在網絡上建立了不少多旋翼飛行器技術交流群,大家可以在群內相互交流各自的經驗和體會,當自己DIY遇到問題時比較容易得到別人的幫助和指點。1. 4旋翼無人機的組成麻雀雖小,五臟俱全。微輕型4旋翼無人機與大中型無人機的總體結構是一樣的,都要在機身上安裝起落裝置、旋翼系統、動力裝置、數據鏈路系統、飛行自控系統以及任務設備等。一個典型的微輕型4旋翼無人機包括以下基本組成部分(如圖31所示)。
圖31微輕型4旋翼無人機組成示意圖
(1) 機架: 也稱為機體,是4旋翼無人機的主體結構,機身和起落裝置一般合為一體。(2) 旋翼系統: 采用空氣螺旋槳。(3) 動力裝置: 包括電機、電調和電池。(4) 自動駕駛儀: 也稱飛控,包括飛行控制系統和傳感器。(5) 遙控系統: 包括遙控接收機和發射機。(6) 任務設備: 主要有增穩云臺、GPS導航儀、照相機、攝像機、黑匣子、圖像傳輸系統和防撞安全防護系統等。2. DIY 4旋翼無人機的步驟微輕型4旋翼無人機屬于玩具航模類型,制作簡單、價格便宜,飛行高度低、速度慢,容易操縱控制,深受人們的喜愛,具有廣泛的群眾基礎,比較適合于人們DIY。特別是經過近幾年的發展,已經出現了一批DIY 4旋翼無人機愛好者和發燒友,他們成功的實踐經驗和心得對于初學者很有啟發和幫助,可以增加初學者的信心; 另外,目前在DIY 4旋翼無人機零部件市場上,其對應的器件也極為豐富,有心玩DIY 4旋翼無人機者,即使是初學者都不必擔心買不到合適的零配件或缺少相關資料。DIY 4旋翼無人機的步驟一般可歸納為以下幾個環節。(1) 選材。市面上有太多的DIY 4旋翼無人機所需的軟硬件和各種材料可供選擇。初學者要根據自己的經濟情況和裝機目標慎重選擇,要堅持先易后難,量力而為,貨比三家的原則。有些可以自己制造的則要盡量自制,因為自制所帶來的樂趣和自豪感是無論花多少錢也買不來的。(2) 組裝。所有零部件、材料和工具都準備齊全以后,就可以動手組裝了。組裝過程要嚴格按產品說明、安裝要求和規范標準,按部就班,有條不紊,一絲不茍地進行,以保障產品質量,確保以后的飛行安全。(3) 調試。調試工作分無槳調試和有槳調試兩個環節,目的是通過調試手段檢查、發現、修正在選材和組裝環節中可能存在的質量問題。(4) 模擬飛行。使用航模模擬器,通過計算機虛擬的飛行操作來模擬飛行控制,達到熟悉4旋翼無人機真實飛行操作的目的,既能保障飛行安全,又解決了場地限制和電池損耗等實際問題。(5) 試飛。試飛是DIY 4旋翼無人機過程最令人期盼、興奮和忐忑不安的一步。事先要擬定好試飛計劃、試飛大綱或規范,做好應急預案,找一個比較空曠平坦的場地,然后進行正式試飛。試飛時先做一些簡單的動作,如起飛、升降和懸停等,后做難度比較大的動作,如俯仰、前飛、偏航和翻滾等。3.2DIY 4旋翼無人機部件的要求和選擇DIY 4旋翼無人機對零部件的要求和選擇主要取決于總體目標要求,即打算組裝一架什么樣的無人機。能反映總體目標要求最重要的兩大指標是功能要求和非功能要求(性能)。在DIY 4旋翼無人機的過程中,所有的工作都是圍繞著這兩大指標進行的,對零部件的選擇工作更是如此。3.2.1DIY 4旋翼無人機部件的要求DIY 4旋翼無人機所涉及的功能要求和非功能要求(性能)是確定其飛行使用范圍最關鍵的因素,也是DIY時選擇軟硬部件最重要的依據。1. 功能要求功能要求描述4旋翼無人機所應提供的功能,包括它應該提供的服務,能搭載多少任務設備,能完成哪些任務等。2. 性能要求作為功能要求的補充,非功能要求是指那些與具體功能相關的另一類要求,但它們只與4旋翼無人機的總體特性相關,即它的性能,如性、穩定性、安全性、較大飛行速度、升限、較大航程、較大載重、留空時間、抗風能力、圖傳清晰度、存儲空間等。與關心4旋翼無人機個別特定的功能要求相比,性能要求關心的是整體特性,因而性能要求更關鍵。一個功能要求得不到滿足會降低它的能力,但一個性能要求得不到滿足則有可能使它根本無法飛行。3. 強度要求任何一種飛行器首先要保障其性,這方面的要求要比一般的地面機械高得多,這是可以理解的。而性中首要的問題是強度,各受力構件及其組合必須能承受在各種飛行狀態中及著陸時可能遇到的沖擊載荷。除此以外還有剛度的要求。這一點對機架和旋翼系統等承力結構特別重要。4. 重量要求這個要求是航空結構與地面機械相比最突出的特點。4旋翼無人機由于受到電機功率、氣動性能及結構強度的限制,較大起飛重量是一定的,因而結構越輕,則所能承載的任務設備也就越多,越能更好地執行任務,改善飛行的經濟性。5. 空氣動力要求4旋翼無人機是一種在空氣中飛行的飛行器,它的升力、前進所需的推力以及控制其飛行的力和力矩都是由空氣動力來提供的,這樣,對于構成氣動外形的部件就有空氣動力方面的要求: 氣動效率高、廢阻小等。這個要求會影響部件的外形及結構,要求結構具有足夠的表面局部剛度,以便于達到較高的外形度等。對于一個具體的DIY 4旋翼無人機方案而言,以上這些要求往往是相互矛盾的。例如強度、剛度的要求和最小重量的要求顯然就是相互矛盾的; 而在保障強度、剛度的前提下要求結構重量最小,往往會使結構的形狀復雜化,從空氣動力的角度來說,這樣做的結果往往會導致廢阻的增加。因此在選擇部件時必須妥善地處理這些矛盾,綜合協調,折中權衡,尋求最合理的處理方索。3.2.2DIY 4旋翼無人機機架、旋翼與動力裝置的選擇1. 機架
DIY 4旋翼無人機的機架將飛行器的機身和起落裝置融為一體,是無人機飛行和起降的基礎平臺,所有的部件和設備都要安裝在機架上面。機架下方安裝有起落架,用于支撐全機重量,避免螺旋槳離地太近而發生觸碰,以及消耗和吸收4旋翼無人機在著陸時的撞擊能量。1) 機架的作用(1) 提供部件安裝接口。這些接口包括安裝和固定電機、電調、飛控板的螺絲孔。(2) 提供整體的、穩定和堅固的飛行平臺。(3) 安裝起落架等緩沖裝備,提供安全的起飛、降落條件,避免機上的儀器設備受到損壞。(4) 提供安全保護裝置,保護人員和其他物體不會觸碰到旋轉中的螺旋槳。2) 機架的基本結構4旋翼無人機的機架可分為機臂、中心板兩部分。4個機臂用螺絲與中心板結合為一體,構成機架。其中機臂圓形末端安裝有電機,另一端與中心板相連,中心板上搭載飛行控制板、接收機、電池等設備。為保障飛行性能,目前市場上的機架多為十字對稱型,也有少數軸對稱型。而出于強度和廠家生產成本考慮,中心板多使用玻璃纖維板制作,機臂多使用尼龍材料制作。如果對重量和強度的要求比較高,可使用更為昂貴的碳纖維材料制作機架。機架軸距是指對角線兩個螺旋槳中心的距離,其單位通常是毫米(mm),用于表達機架的尺寸大小。3) 機架的材質(1) 塑膠機架: 塑膠機架由塑膠制作而成,主要特點是具有一定的剛度和強度,同時又有一定的可彎曲度。其材質適合初學者的摔摔打打,相對來說較為廉價。(2) 玻璃纖維機架: 玻璃纖維機架的強度比塑膠機架的強度要高,常常制作為長長的管道形,而且需要的材料很少,可減少機架的重量。(3) 碳纖維機架: 碳纖維機架與玻璃纖維的機架相差無幾,具有強度高、重量輕等優點。(4) 鋼制或鋁合金機架: 鋼制或鋁合金機架比較適合于自制。4) 成品機架的選購市場有現成的機架出售,上面有各種螺絲孔,買回來只需要將各種設備連接上去,并擰上螺絲即可進行調試,大大簡化了安裝過程。(1) F450、F550機架: F450和F550機架是深圳大疆創新公司為了滿足大多數航模愛好者而開發的機架,包括4個懸臂、一塊下板和一塊上板。懸臂上主要安裝電機、電調和連接上板與下板。在下板上已經設計好了相應電路,可給4個電調供電。上板可以用來安裝飛控和接收器等。數字450代表機架軸距,即F450,軸距450mm; F550,軸距550mm。(2) X450機架: X450的4個懸臂采用了管式結構,重量較輕、外形美觀。5) 自制機架除了到市場上購買成品機架外,還有許多人自己動手,利用廢棄的硬盤盒、玻璃鋼、鋁片等材料自行加工機架。自制的機架在重量、強度、剛度等性能特征上可以做得比買來的成品機架一點也不遜色,而在外形美觀上則往往更具個性,結實耐用,美觀大方。自制機架的做法值得大力提倡。如果起飛重量大于4kg,建議電機臂碳管不小于16mm或以上,機架碳板厚度達到1.5mm或以上。2. 旋翼系統與電動機1) 槳片DIY 4旋翼無人機的旋翼系統是指它的空氣螺旋槳,它由電機驅動高速旋轉產生升力。其外形結構非常簡單,兩片槳葉由中間的槳轂固定在一起構成一個整體,稱為槳片。4旋翼無人機有4個旋翼,每個旋翼都只有一個槳片,全機總共有4 個槳片,其中有兩個為正漿,另外兩個為反漿。槳葉的橫剖面是翼型,假設螺旋槳在一種不能流動的介質中旋轉,那么螺旋槳每轉一圈,就會向前進一個距離,稱為螺距。常用槳片的尺寸有1145、1045、9047、8045等,其中4位數字的前兩位代表直徑,后兩位代表螺距。如1045槳片的直徑為10英寸,而螺距為4.5英寸,較大轉速為10500轉/分鐘。2) 電動機電動機是4旋翼無人機的動力來源。電機類型分有刷電機和無刷電機兩種,DIY 4旋翼無人機需要的是無刷電機。與傳統的有刷電機不同,無刷電機屬于外轉子電機,也就是說,工作的時候是電機的外殼在轉動,而不是內部的線圈(如圖32所示)。這樣帶來了電機維護上的方便。同時,無刷電機在扭力、轉速方面都有比較優越的特性。無刷電機采用半導體開關器件(電調)來實現電子換向,具有性高、無換向火花、機械噪聲低等優點。常見的品牌有好盈、中特威、新西達等。
圖32無刷電機電路圖
(1) 尺寸: 無刷電機在型號命名上用4位數字來表示它的尺寸,如2212、2018電機等。前面兩位數是電機轉子的直徑,后面兩位數是電機轉子的高度。形象地講,前面兩位越大,電機越肥; 后面兩位越大,電機越高。又高又大的電機,功率就大。例如常用的新西達2212電機,表示直徑為22mm,轉子的高度為12mm。一般而言,越大的電機,其轉速和扭力也就越大。(2) 標稱空載KV值: 無刷電機KV值定義為“轉速/伏特”,意思是輸入電壓增加1伏特,無刷電機空轉轉速增加的轉速值。例如: 1000KV電機,外加1V電壓,電機空轉時每分鐘轉1000轉; 外加2V電壓,電機空轉就2000轉了; 電壓為11V的時候,電機的空轉轉速達到11000轉/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。單從KV值,無法評價電機的好壞,因為不同KV值適用不同尺寸的螺旋槳。(3) 電壓: 把一節鋰電池的電壓3.7V稱作一個S,微微型4旋翼無人機的電機常用1S電池驅動,而較大些的4旋翼無人機的無刷電機一般采用2~3S,也就是7.4~11.1V來驅動。一般的無刷電機都可以支持2~3S的電壓,其中最常用的配置還是3S的鋰電,也就是11.1V。3. 電調電調全稱為電子調速器(ESC),是連接飛控板和電機的部件,它是多旋翼無人機最重要的部件之一。無刷電機應該選用無刷電調。無刷電調的輸入是直流,可以接鋰電池; 輸出是三相交流,直接與電機的三相輸入端相連。如果上電后,電機反轉,只需要把這三根線中的任意兩根對換位置即可。電調還有三根信號線連出,用來與接收機連接,控制電機的運轉。1) 電調功能(1) 電機調速: 電調最基本的功能是電機調速,就是將飛控板的控制信號,轉變為電流的大小,以控制電機的轉速。因為電機的電流是很大的,通常每個電機正常工作時平均有3A左右的電流,如果沒有電調的存在,飛控板根本無法承受這樣大的電流。(2) 變壓供電: 電調的第二個功能是充當變壓器,將11.1V電壓轉變為5V,為飛控板和遙控接收機供電。每個電調上面都會標出能夠提供的電流值,如20A、40A。大電流的電調可以兼容用在小電流的地方,但小電流電調不能超標使用。(3) 電源轉化: 電調的第三個功能是充當換相器的角色,因為無刷電機沒有電刷進行換相(直流電源轉化為三相電源供給無刷電機,并對無刷電機起調速作用),所以需要靠電調進行電子換相。(4) 其他功能: 電調還有一些其他輔助功能,如電池保護、啟動保護、剎車等。2) 電調參數(1) 功率: 無刷電調最主要的參數是電調的功率,通常以安培數A來表示,如10A、20A、30A。不同的電機需要配備不同安培數的電調,安培數不足會導致電調甚至電機燒毀。(2) 電流: 無刷電調有持續電流和X秒內瞬時電流兩個重要參數,前者表示正常時的電流,而后者表示X秒內能容忍的較大電流。選擇電調型號的時候一定要注意電調較大電流的大小是否滿足要求,是否留有足夠的安全裕度容量,以避免電調上面的功率管燒壞。(3) 內阻: 電調具有相應的內阻,其發熱功率需要得到注意。有些電調的電流可以達到幾十安培,由于發熱功率是電流的平方的函數,所以電調的散熱性能也十分重要,因此大規格電調的內阻一般都比較小。(4) 刷新頻率: 電機的響應速度與電調的刷新速率有很大關系。在多旋翼無人機開始發展之前,電調多為航模飛機而設計,航模飛機上的舵機由于結構復雜,工作頻率較大為50Hz。相應地,電調的刷新速率也都為50Hz。多旋翼無人機與其他類型飛機不同,不使用舵機,而是由電調直接驅動電機,其響應速度遠超舵機。目前,具備UltraPWM功能的電調可支持高達500Hz的刷新頻率。3) 可編程特性通過內部參數設置,可以達到的電調性能。設置的參數包括: 電池低壓斷電電壓設定、電流限定設定、剎車模式設定、油門控制模式、切換時序設定、斷電模式設定、起動方式設定以及PWM模式設定等。通常有三種方式可對電調參數進行設置。(1) 可以通過編程卡直接設置電調參數。(2) 通過USB連接,用電腦軟件設置電調參數。(3) 通過接收器,用遙控器搖桿設置電調參數。4) 常用電調分類無刷電調的種類按品牌分,常用的有好盈、銀燕、新西達、中特威等,還有一些較為昂貴的電調,如蝎子和鳳凰等。按照功率分為30A、40A、50A、60A、80A和120A電調等。不同功率的電調要對應不同的電機,否則會出現電機轉速不足或燒壞電調的情況。4. 電池電池主要用于提供能量,屬于易耗品,也是后期投入比較多的一個部件。可用來作多旋翼無人機動力的電池種類很多,常見的有鋰電池(LiPo)和鎳氫電池(NiMh),主要源于其優良的性能和便宜的價格優勢。然而,對于多旋翼無人機而言,電池單位重量的能量載荷很大程度上限制了其飛行時間和任務拓展,續航時間不夠,其關鍵就在于電池容量較小。在相同電池容量的情況下,鋰電最輕,效率較高,因此多旋翼無人機大多都選擇鋰電池; 電池品牌的選擇除了受機架尺寸限制外,還要注意以下幾個參數。1) 電池電壓鋰電池組包含電池和鋰電池保護線路兩部分(如圖33所示)。
圖33鋰電池電芯組合方式
(1) 鋰電池單節電壓為3.7V,3S1P表示三片鋰聚合物電池的串聯,電壓是11.1V,其中S表示串聯,P表示并聯。又如2S2P電池表示2片鋰聚合物電池的串聯,然后兩個這樣的串聯結構并聯,總電壓是7.4V,電流是單個電池的兩倍,如圖33所示。(2) 不僅在放電過程中電壓會下降,而且由于電池本身具有內阻,其放電電流越大,由于自身內阻導致的壓降就越大,所以輸出的電壓就越小。2) 電池容量電池容量用毫安時(mAh)表示,電池的容量越大,存儲的能量就越大,可以提供的續航時間就越長,不過相應的重量也越大。例如1000mAh電池,以1000mA放電,可持續放電1小時; 如果以500mA放電,可以持續放電2小時。隨著放電過程的進行,電池的放電能力在下降,其輸出電壓也會緩慢下降,所以導致其剩余容量與放電時間并非是線性關系。單電芯充滿電時的電壓為4.2V,放電完畢會降至3.0V(再低可能過放導致電池損壞),一般無人機在3.6V時會有電量報警。在多旋翼無人機實際飛行過程中,有兩種方式檢測電池的剩余容量是否滿足飛行安全的要求。一種方式是檢驗電池單節電壓,另一種方式是實時檢測電池輸出電流并做積分計算。3) 放電倍率電池放電能力是普通鋰電池和動力鋰電池最重要的區別,動力鋰電池需要很大的電流放電。電池充放電電流的大小用充放電倍率來表示,它是充放電快慢的一種量度,其單位為C,計算公式為充放電倍率=充放電電流/額定容量。例如額定容量為100mAh的電池用20A放電時,放電倍率為0.2C; 1000mAh電池,放電倍率為5C,則電池可以5000mAh的電流強度放電。鋰聚合物電池一般屬于高倍率電池。實際使用中,所用電池的容量1小時放電完畢,稱為1C放電; 5小時放電完畢,則稱為1/5=0.2C放電。容量5000毫安時的電池較大放電倍率為20C。這很重要,如果用低C的電池進行大電流放電,電池會迅速損壞,甚至自燃。另外,不能讓一塊電池把它的電量放完,如果這樣的話,這塊電池就廢掉了,當11.1V電池電壓降低到10V時好更換電池。4) 充電倍率C也表示鋰電池充電倍率,只是將放電變成了充電,如1000mAh電池,2C快充,就代表要用2000mAh的電流來充電。充電時要注意: 千萬不要因為圖快而貿然用大電流,或超過規定參數充電,不然電池很容易損壞。5) 電池內阻電池的內阻主要由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成,與電池的尺寸、結構、裝配等有關。電池的內阻不是常數,在充放電過程中隨時間不斷變化,并且不是線性關系,常隨電流密度的對數增大而線性增加。電池的內阻很小,一般用毫歐的單位來定義它。正常情況下,內阻小的電池的放電能力強,內阻大的電池放電能力弱。6) 平衡充電器由于4旋翼無人機電池的電流極大,其專用電池是不能用普通充電器的,必須要用平衡充電器。常用的11.1V的鋰電池由三節3.7V的鋰電組成,因為制造工藝原因,每節電池的充電放電特性都有差異,在電池串聯的情況下,容易造成某節電池放電過度或充電過度。解決辦法是分別對內部單節電池充電,平衡充電器就是起這個作用的,即采用平衡充電器來分別充其中的每一個S,也就是每一個放電單元,這樣能保護電池。經驗表明,DIY 4旋翼無人機常用2200mAh、3S、25C的電池。值得注意的是,市面上雜牌動力電池虛標、掉電壓、虛焊問題嚴重,應盡量選擇知名廠家的品質電池,避免空中掉電摔機造成更大的損失。5. 電機與螺旋槳的匹配多旋翼無人機采用的螺旋槳越大,升力越大,但對應需要更大的力量來驅動; 螺旋槳轉速越高,升力越大; 電機的KV越小,轉動力量就越大。為了用轉速來彌補升力不足,大螺旋槳就需要采用低KV電機,小螺旋槳就需要采用高KV電機。如果高KV帶大槳,力量不夠,電機和電調很容易燒掉。如果低KV電機帶小槳,就沒有問題,但升力不夠,可能造成無法起飛。因此,在選擇電調時,要注意電調和電機的匹配問題,原則上電調的電流要和電機的峰值相同,好是大一點(但不能過大)。不同的電機需要使用對應的槳片,如表31中所示。
表31電機與槳片的選擇對應關系
電機(KV值)槳片
800~10001110英寸槳1000~120010~9英寸槳1200~18009~8英寸槳1800~22008~7英寸槳2200~26007~6英寸槳(注意槳強度,當心射槳)2600~28006~5英寸槳(注意槳強度,當心射槳)2800以上建議使用9050剪槳(注意槳強度,當心射槳)
3.2.3DIY 4旋翼無人機自動駕駛儀的選擇1. 自動駕駛儀的功能和結構
自動駕駛儀(也稱為飛控板)是DIY 4旋翼無人機的核心部件,主要作用是處理飛行參數,控制飛行過程中的穩定和運動方向。當4旋翼無人機在空中飛行時,飛控需要識別遙控器或自動控制的信號,計算當前的姿態,并且將當前的姿態與遙控器要求達到的姿態進行對比,從而計算出電機需要做出的反應,給電調發送信號調節電機轉速,實現控制改變飛行姿態的功能(如圖34所示)。
圖344旋翼無人機飛控結構示意圖
(1) 功能。自動駕駛儀的功能主要歸結為以下幾方面。① 導航: 導航就是解決“在哪兒”的問題。如何發揮自動駕駛儀上各種傳感器的優勢,綜合分析判斷得到的位