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多旋翼无人机知识手册

  [键入文字]V1.1 培训教材 多旋翼无人机知识手册 多旋翼无人机知识手册 随着多旋翼无人机的应用日趋广泛,多旋翼无人机的入门门槛越来越低,“到手飞”、个人航拍机等对操作人员的要 求几乎是零,对毫无基本常识和经验的人来说也可以操作。 但这些都为人身和财产安全埋下了巨大的隐患,出于以上考 虑,本教材阐述了多旋翼无人机的基本原理、总结了飞行过 程中的注意事项、操作方法、以及如何规避风险。这是一本 适合飞行初学者的教材,旨在普及航空知识、和飞行常识等 基本理论,根据经验提出在飞行中应该注意的问题和如何规 避风险、应急处置等。 本教材的材料有些基于无人机方面的书籍,有些则基于 航模飞行的经验,很多都是十分难得的第一手资料,因此可 以作为飞行初学者的基础教程,也可以作为以拓宽知识面、 开拓思路为主要目的的广大无人机爱好者的学习资料。 由于水平有限,时间仓促,书中疏漏之处在所难免,敬 请读▪▲□◁者朋友批评指正,以使我们在再版时修订。 作者 多旋翼无人机知识手册 第一章绪论 第二章系统组成及原理 第三章飞行器 第四章操作方法实例 第五章其他细节.......................................................................... 第六章多旋翼无人机的作用与意义 第七章与多旋翼无人机有关的航空法规及航空气象.................. 第一章绪论 关于无人机系统的发展历史在任何一本讲无人机的书里都有介 绍,在这里不再重复。而关于国内外无人机的发展现状,在所有文章 中也都说的很片面,基于自身水平和对国外无人机的了解有限,也不 再赘述,在本文中只针对多旋翼无人机进行评述。 多旋翼无人机系统概述 无人机英文缩写UAV,涵盖无人驾驶飞机、遥控飞行器及无人靶 机。由于多旋翼无人机是近几年才发展起来,脱胎于航空模型。航空 模型一般称为无线电控制(RC),所以很多人也认为多旋翼无人机是 航模。但是无线电控制是从一个遥远的地点位置制导或控制的,属于 无人机,但是无人机不一定就是无线电控制的,因为无人机可以根据 预先设置的飞行程序来飞行。 不管无人机是以遥控控制的方式还是通过一个预设的导航系统 飞行,它并不一定是被放飞的,即由一个有飞行技能的人来操控。目 前使用的无人机通常有自动驾驶及导航系统,可保持飞行姿态、飞行 高度及机型地面跟踪。 遥控控制无人机通常指通过地面控制站中设置的开关或者操纵 杆来手工调整无人机的方向、高度、速度等,以此来控制无人机的位 置。但当无人机到达指定航线时,无人机中的自动驾驶仪便可保持飞 行稳定及实行操纵。各种类型的导航系统(全球定位系统、无线电控 制系统、惯性系统)可执行事先设定的任务,这些任务可由人工操纵 多旋翼无人机知识手册 完成,也可自动完成。一架典型的无人机系统至少应该包括飞行器、一个或多个地面控 制系统和/或任务规划与控制站、有效载荷及数据链路。此外,很多 无人机系统包括发射与回收子系统。一个非常简单的、普通的无人机 系统如图1.1 所示。 图1.1 普通无人机系统 飞行器 飞行器是无人机系统中的空中部分,包括飞机机体、推进装置、 飞行操控装置、供电系统。飞行数据终端被安装在飞机上,它是通讯 数据链路的机载部分。有效载荷显然是机载的,但它却被认为是独立 的子系统,能够在不同的飞行器之间通用,并且经过特别设计,能够 完成各种不同人物。飞机可以使固定翼式、旋转翼式或风管式。轻型 飞行器也可称为无人机。某些典型的飞行器如图1.2 所示。 多旋翼无人机知识手册 图1.2典型的飞行器 多旋翼无人机系统分类 要大家明确一点是轴和旋翼一边情况下是相同的,有时候也是不同的,比如四轴八旋翼。是将四轴上每个轴上下各安装一个电机构成 八旋翼。本教材只要以四△▪▲□△旋翼为主。 多旋翼无人机的任务 多旋翼无人机的任务根据航程、续航时间、速度及有效载荷能力 多旋翼无人机知识手册 来决定,通常在设计无人机之初主要是依据有效载荷和任务具体要求来设计。最常见的任务包括航拍、植保、巡线、刑侦、救援等等。任 务不同需求也不同,对性能要求有各自的侧重点,但目前最迫切的需 要是在保证有足够的任务载荷情况下能够提供更长的续航时间。市场 上可见的多旋翼无人机多应用在民用领域,在军事上应该有大规模应 用的前景,但尚未普及,这也对多旋翼无人机的稳定性、可靠性和适 应各种复杂环境的能力提出了挑战,目前多旋翼无人机正朝着模块化 结构迈进,这大大简化了多旋翼无人机的结构,对进一步拓宽市场起 到了一定的推进作用。 第二章 系统组成及原理 四轴(多轴)飞行器也叫四旋翼(多旋翼)飞行器,它有四个(多 个)螺旋桨,四轴(多轴)飞行器也是飞行器中结构最简单的飞行器 了。前后左右各一个,其中位于中心的主控板接收来自于遥控发射机 的控制信号,在收到操作者的控制后通过数字的控制总线去控制四个 电调,电调再把控制命令转化为电机的转速,以达到操作者的控制要 求。根据所安装的飞控系统来确定电机的转动顺序和螺旋桨的正反, 机械结构上只需保持重量分布的均匀,四电机保持在一个水平线上, 可以说结构非常简单,做四轴的目的也是为了用电子控制把机械结构 变得尽可能的简单。 对于其组成归纳来说如图所示: 多旋翼无人机知识手册 机身:机身是大多数设备的安装位置,也是多旋翼无人机的主体,也成为机架。根据机臂个数不同分为:三旋翼,四旋翼,六旋翼,八 旋翼,十六旋翼,十八旋翼也有四轴八旋翼等,结构不同叫法也不同。 出于结构强度和重量考虑,一般采用碳纤维材质。 起落架:多旋翼无人机唯一和地面接触的部位。作为整个机身在 起飞和降落时候的缓冲,也是为了保护机载设备,要求强度高,结构 牢固,和机身保持相当可靠的连接,能够承受一定的冲力。一般在起 落架前后安装或者涂装上不同的颜色,用来在远距离多旋翼无人机飞 行时能够区分多旋翼无人机的前后。 马达:对于电动无人机来说就是电机,是多旋翼无人机的动力机 构,提供升力,推力等。无刷电机去除了电刷,最直接的变化就是没 有了有刷电机运转时产生的电火花,这样就极大减少了电火花对遥控 无线电设备的干扰。无刷电机没有了电刷,运转时摩擦力大大减小, 运行顺畅,噪音会低许多,这个优点对于模型运行稳定性是一个巨大 的支持。 电机四个数字的含义: 2212 电机、2018 电机等等,这表示电机 的尺寸。不管什么牌子的电机,具体都要对应4 位这类数字,其中前 多旋翼无人机组成 位是电机转子的直径,后面2位是电机转子的高度。注意,不是◆■ 外壳。简单来说,前面2 位越大,电机越肥,后面2 位越大,电机越 高。又高又大的电机,功率就更大,适合做大四轴。通常2212 电机 是最常见的配置了。 无刷电机KV 值定义:转速/V,意思为输入电压增加1V,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。单 从KV 值,不可以评价电机的好坏,因为不同KV 值有不同的适用不同 尺寸的浆绕线匝数多的,KV 值低,最高输出电流小,但扭力大,上 大尺寸的浆;绕线匝数少的,KV 值高,最高输出电流大,但扭力小, 上小尺寸的浆 电调:电子调速器,将飞控的控制信号,转变为电流信号,用于 控制电机转速。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,飞控根本无法承受这 样大的电流,而且飞控也没有驱动无刷电机的功能。同时电调在多旋 翼无人机中也充当了电压变化器的作用,将11.1V 电压变为5V 电压 给飞控供电。 电池:是电动多旋翼无人机的供电装置,给电机和机载电子设备 供电。最小是1S 电池,常用的是3S、4S、6S,1S 代表3.7V 电压, 螺旋桨:安装在电机上,多旋翼无人机安装的都是不可变总距的 螺旋桨,主要指标有螺距和尺寸。 浆的指标是4 位数字,前面2 位代表桨的直径(单位: 多旋翼无人机知识手册 英寸,1英寸=254 毫米)后面2 位是桨的螺距。 正反桨 :四轴飞行为了抵消螺旋桨的自旋,相邻的桨旋转方向是不 一样的,所以需要正反桨。正反桨的风都向下吹。适合顺时针旋转的 叫正浆、适合逆时针旋转的是反浆。安装的时候,一定记得无论正反 桨,有字的一面是向上的(桨叶圆润的一面要和电机旋转方向一致)。 电机与螺旋桨的搭配:这是非常复杂的问题,我自己也在研究当中, 所以建议采用大家常见的配置吧,但原理这里可以阐述一下:螺旋桨 越大,升力就越大,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; 综上所述,大螺旋桨就需要用低kv 电机,小螺旋桨就需要高kv 电机(因为需要用转速来弥补升力不足)。如果高kv 带大桨,力量不 够,那么就很困难,实际还是低俗运转,电机和电调很容易烧掉。如 kv带小桨,完全没有问题,但升力不够,可能造成无法起飞。 例如:常用1000kv 电机,配10 寸左右的桨。 飞控:包括陀螺仪、加速度计、电路控制板、各外设接口。 陀螺仪:理论上陀螺只测试旋转角速度,但实际上所有的陀螺都 对加速度敏感,而重力加速度在我们地球上又是无处不在,并且实际 应用中,很难保证陀螺不受冲击和振动产生的加速度的影响,所以再 实际应用中陀螺对加速度的敏感程度就非常的重要,因为振动敏感度 是最大的误差源。两轴陀螺仪能起到增稳作用,三轴陀螺仪能够自稳。 加速度计:一般为三轴加速度计,测量三轴加速度和重力。 遥控装置:包括遥控器和接收机,接收机装在机上。一般按照通 多旋翼无人机知识手册 道数将遥控器分成六通道、八通道、十四通道遥控器等,对于通道的概念在后边章节会有详细介绍。 GPS 模块:测量多旋翼无人机当前的经纬度、高度、航迹方向、 地速等信息。一般在GPS 模块中还会包含地磁罗盘(三轴磁力计): 测量飞机当前的航向。 任务设备:目前最多的就是云台,常用的有两轴云台和三轴云台; 云台作为相机或摄像机的增稳设备,提供两个方向或三个方向的稳定 控制。云台可以和控制电机的集成在一个遥控器中,也可以单独的遥 控器控制。 数据链路:数据链路包括数传和图传。数传就是数▲=○▼字传输,数传 终端和地面控制站(笔记本或手机等数据终端),接受来自飞控系统 的数据信息。图传就是图像传输,接受机载相机或摄像机拍摄的图像, 一般延迟在几十毫秒,目前也有高清数字图传,传输速率和清晰度都 有很大提高。 控制原理 四轴飞行器的控制原理就是,当没有外力并且重量分布平均时, 四个螺旋桨以一样的转速转动,在螺旋桨向上的拉力大于整机的重量 时,四轴就会向上升,在拉力与重量相等时,四轴就可以在空中悬停。 在四轴的前方受到向下的外力时,前方马达加快转速,以抵消外力的 影响从而保持水平,同样其它几个方向受到外力时四轴也是可以通过 这种动作保持水平的,当需要控制四轴向前飞时,前方的马达减速, 而后方的马达加速,这样,四轴就会向前倾斜,也相应的向前飞行, 多旋翼无人机知识手册 同样,需要向后、向左、向右飞行也是通过这样的控制就可以使四轴往我们想要控制的方向飞行了,当我们要控制四轴的机头方向向顺时 针转动时,四轴同时加快左右马达的转速,并同时降低前后马达的转 速,因为左右马达是逆时针转动的,而左右马达的转速是一样,所以 左右是保持平衡的,而前后马达是顺时针转动的,但前后马达的转速 也是一样的,所以前后左右都是可以保持平衡,飞行高度也是可以保 持的,但是逆时针转动的力比顺时针就大,所以机身会向反方向转动, 从而达到控制机头的方向。这也是为什么要使用两个反桨,两个正桨 的原因。 我们平时用的商品电调是通过接收机上的油门通道进行控制的,这个接收机出来的控制信号一般都是 20mS 间隔的 PPM 脉宽控制信 号,而四轴为了提高响应的速度,需要控制命令的间隔更短-比如说 5mS,所以就需要特殊的电调而不能用普通的商品电调,但是为什么 要使用 I2C 总线跟电调连接呢,这个跟电路设计以及软件编写等有 关,I2C 总线在硬件连接上可以多个设备直接并连在总线上,它有相 应的传输机制保证主机与各个从机之前顺畅沟通,这样连接就比较的 方便,所以四个电调的控制线是并接在一起连到主控板上就可以了, 这个也跟我们选用的芯片相关,很多单片机都有集成I2C 总线的,软 件设计起来也得心应手。 陀螺仪 陀螺仪对微小的▽•●◆转动非常敏感,所以它对飞行器飞行姿态的控制 多旋翼无人机知识手册 起着重要作用,飞机有一点点的偏转陀螺仪就能自动修正,简单的来说陀螺仪就是帮助飞机保持稳定姿态的,所以又陀螺仪的飞机飞行稳 定,但是四轴飞行器没有陀螺仪就不能飞了,因为四个螺旋桨的动力 有一点点差别就会侧翻,三轴加速计是用来分析陀螺仪的信号,转了 多少角度,分析此时飞行姿态,它能够记住飞机的姿态,当你操纵杆 回位后,飞机◇…=▲就自动恢复水平。 简单来说,航拍四轴(多轴)飞行器就是利用一个四轴(多轴) 的飞行器搭载一个摄像,再加上一个图传系统实现地面的监控,就组 成了一个航拍四轴(多轴)飞行器了。 结构 如图所示,电机1 和电机3 逆时针旋转的同时,电机2 和电机4 顺时针旋转,因此当飞行器平衡飞行时,陀螺效应和空气动力扭矩效 应均被抵消。 与电动直升机相比,四旋翼飞行器有下列优势:各个旋翼对机身 所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反,因此当电机1 和电机3 顺时针旋转,可以平衡旋翼对机身的反扭矩。四旋 翼飞行器在空间共有6 由度(分别沿3个坐标轴作 平移和旋转动作),这 自由度的控制都可以通过多旋翼无人机知识手册 调节不同电机的转速来实现。构造 四轴飞行器其构造特点是在它的四个角上各装有一旋翼,由电机 分别带动,叶片可以正转,也可以反•☆■▲转。为了保持飞▪•★行器的稳定飞行, 在四轴飞行器上装有 轴加速度传感器组成惯性导航模块,它还通过电子调控器来保证其快速飞行。 技术难点 首先,在飞行过程中它不仅受到各种物理效应的作用,还很容易 受到气流等 外部环境的干扰,很难获得其准确的性能参数。 其次,微型四旋翼无人飞行器是一个具有六个自由度,而只有四个控 制输入的欠驱动系统。它具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的 特性,使得飞行控制系统的设计变得非常困难。 再次,利用陀螺进行物体姿态检测需要进行累计误差的消除,怎样建 立误差模型和通过组合导航修正累积误差是一个工程难题。这三个问 题解决成功与否,是实现微型四旋翼无人飞行器自主飞行控制的关 键,具有非常重要的研究价值。 基本运动状态 垂直运动,俯仰运动,滚转运动,偏航运动,前后运动,侧向运 中,因有两对电机转向相反,可以平衡其对机身的反扭矩,当同时增加四个电机的输出功率,旋翼转速增加使得总的拉力增大, 多旋翼无人机知识手册 当总拉力足以克服整机的重量时,四旋翼飞行 器便离地垂直上升;反 之,同时减小四个电机 的输出功率,四旋翼飞 行器则垂直下降,直至 平衡落地,实现了沿z 轴的垂直运动。当外界扰动量为零时,在旋翼 产生的升力等于飞行器的自重时,飞行器便保持悬停状态。保证四个 旋翼转速同步增加或 减小是垂直运动的关 俯仰运动图(b)中,电机1 的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变,旋翼1 的升力上升,旋翼3的升力下降,产生的不平衡力矩使机身 的转速下降,电机3的转速上升,机身便绕y 轴向另一个方向旋转,实现飞行器的俯仰运 滚转运动多旋翼无人机知识手册 的原理相同,在图c中,改变电机2 和电机4 的转速,保 持电机1 和电机3 的转速不变,则可使机身绕x 轴旋转(正向和反向), 实现飞行器的滚转运动。 偏航运动 四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼 转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩,为了 克服反扭矩影响,可使四个旋翼中的两个正转,两个反转,且对角线 上的来年各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关,当 四个电机转速相同时,四个旋翼产生的反扭矩相互平衡,四旋翼飞行 器不发生转动;当四个电机转速不完全相同时,不平衡的反扭矩会引 起四旋翼飞行器转动。在图d○▲-•■□ 中,当电机1 和电机3 的转速上升,电 和电机4的转速下降时,旋翼1 转动,实现飞行器的偏航运动,转向与电机1、电机3的转向相反。 多旋翼无人机知识手册 前后运动要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动,必须在水平面内 对飞行器施加一定的力。在图★△◁◁▽▼e 中,增加电机3 转速,使拉力增大, 相应减小电机1 转速,使拉力减小,同时保持其它两个电机转速不变, 反扭矩仍然要保持平衡。按图b 的理论,飞行器首先发生一定程度的 倾斜,从而使旋翼拉 力产生水平分量,因 此可以实现飞行器 的前飞运动。向后飞 行与向前飞行正好 相反。当然在图b 平运动。侧向运动 中,由于结构对称,所以侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样。 多旋翼无人机知识手册 第三章飞行器 多旋翼的空气动力特点 (1)产生向上的升力用来克服机身的重力。多旋翼无人机是通过多 个旋翼一起调节转速达到控制机身完成飞行动作的目的,所以发动机 空中停车时,多旋翼无人机会出现失控现象,除非六旋翼或更多旋翼 在某个发动机停车时能够通过其他发动机进行补偿。 (2)产生向前的水平分力克服空气阻力使多旋翼无人机前进,类似 于飞机上推进器的作用。 (3)产生其他分力及力矩:多旋翼无人机电机是成对出现的,且相邻 电机安装正反浆,用以中和扭矩。螺旋桨由两片桨叶组成。工作时, 桨叶与空气作相对运动,产生空气动力; 先来考察一下多旋翼的轴向直线运动,由于多旋翼和直升机的情 况类似,和直升机做对比就行研究。由于两者技术要求不同,旋翼的 直径大且转速小;螺旋桨的直径小而转速大。在分析、设计上就有所 区别。设一旋冀,桨叶片数为k,以恒定角速度Ω 绕轴旋转,并以速 度Vo 沿旋转轴作直线运动。如果在想象中用一中心轴线与旋翼轴重合, 而半径为r 的圆柱面把桨叶裁开(参阅图2,1—3),并将这圆柱面展开 成平面,就得到桨叶剖面。既然这时桨叶包括旋转运动和直线运动, 对于叶剖面来说,应有用向速度(等于Ω r)和垂直于旋转平面的速度 (等于Vo),而合速度是两者的矢量和。显然可以看出(如图2.1—3), 用不同半径的圆柱面所截出来的各个桨叶剖面,他们的合速度是不同 的:大小不同,方向也不相同。如果再考虑到由于桨叶运动所激起的 多旋翼无人机知识手册 附加气流速度(诱导速度)),那么桨叶各个剖面与空气之间的相对速度就更加不同。与机翼相比较,这就是桨叶工作条件复杂,对它的分析 比较麻烦的原因所在。 旋翼拉力产生的滑流理论 现以直升机处于垂直上升状态为例,应用滑流理论说明旋翼拉力 产生的原因。此时,将流过旋翼的空气,或正确地说,受到旋翼作用 的气流,整个地看做一根光滑流管加以单独处理。假设: 空气是理想流体,没有粘性,也不可压缩; 旋转着的旋冀是一个 均匀作用于空气的无限薄的圆盘(即桨盘),流过桨盘的气流速度在桨 多旋翼无人机知识手册 气流流过旋翼没有扭转(即不考虑旋翼的旋转影响),在正常飞行中,滑流没有周期性的变化。 根据以上假设可以作出描述旋翼在:垂直上升状态下滑流的物理 图像,如下图所示,图中选取三个滑流截面,So、S1 和S2,在So 面,气流速度增加到V1=Vo+v1,压强为P1上,在S1 的下面,由于流 动是连续的,所以速度仍是V1,但压强有了突跃Pl 下>P1 上,P1 一P1上即旋翼向上的拉力。在S2 面,气流速度继续增加至V2=Vo+v2, 压强恢复到大气压强Po。 这里的v1 是桨盘处的诱导速度。v2 是下游远处的诱导速度,也就 是在均匀流场内或静止空气中所引起的速度增量。对于这种现象,可 以利用牛顿第三用动定律来解释拉力产生的原因。 多旋翼无人机知识手册 旋翼拉力产生的涡流理论根据前面所述的理论,只能宏观地确定不同飞行状态整个旋翼的 拉力和需用功率,但无法得知沿旋翼桨叶径向的空气动力载荷,无法 进行旋设计。为此,必须进一步了解旋翼周围的流场,即旋冀桨叶作 用于周围空气所引起的诱导速度,特别是沿桨叶的诱导速度,从而可 计算桨叶各个剖面的受力分布。 在理论空气动力学中,涡流理论就是求解任一物体(不论飞机机翼 或旋翼桨叶)作用于周围空气所引起的诱导速度的方法。从涡流理论的 观点来看,旋翼桨叶对周围空气的作用,相当于某一涡系在起作用, 也就是说,旋翼的每片桨叶可用一条(或几条)附着涡及很多由桨叶后 缘逸出的、以螺旋形在旋翼下游顺流至无限远的尾随涡来代替。 按照旋翼经典涡流理论,对于悬停及垂直上升状态(即轴流状态), 旋翼涡系模型就像一个半无限长的涡拄,由一射线状的圆形涡盘的附 着涡系及多层同心的圆柱涡面(每层涡面由螺旋涡线所组成)的尾迹涡 系两部分所构成(如下图所示)。 多旋翼无人机知识手册 直升机旋停、垂直上升状态的涡柱这套涡系模型完全与推进螺旋桨的情况相同。至于旋冀在前飞状 态的涡系模型,可以合理地引伸为一个半无限长的斜向涡柱,由一圆 形涡盘的附着涡系及多层斜向螺旋涡线的斜向涡面的尾迹涡系两部分 所构成(如下图所示)。 多旋翼无人机知识手册 直升机前飞状态的涡柱基本空气动力学方程在所有介绍空气动力学的书中都 有讲,在这里只以浅显的语言介绍,尽量让大家不用因为公 式头疼 飞行性能 多轴飞行器里,抛开一些比较基本的震动、稳定性的问题不说, 大家关心比较多的应该就是续航时间了。其实决定一架多轴飞行能力 的主要指标简单的说无非就是飞行时间、飞行重量、耗电量这三个要 素。搞清楚这三个要素之间的关系,你就会比较容易的设计出你想要 的多轴飞行器。飞行时间和飞行重量这两个都很好理解,飞行时间一 般我们习惯以分钟为单位,飞行重量我们习惯以克为单位。耗电量就 是指你以某个飞行重量飞行了某段时间所损耗的电量。 多旋翼无人机知识手册 耗电量的计算:不管是做什么形态的多轴,我们都想做出载重大,飞行时间长,耗电小的机子,如果说飞行时间和载重都是必须的,那 么耗电量就是唯一可控的变量了,所以我们必须搞清楚多轴耗电量是 怎么出来的。想要搞清楚这个问题,在这里有必要先普及一些基础知 识。大家都知道,我们家里的日常用电都是以度为单位的,一度电其 实就代表一千瓦时(1000WH),指的是如果你有一台功率是1000 功率指的具体又是什么呢?功率其实就是电流和电压相互作用产生的结果,一般我们用“功率=电压*电流”这个关系来表示。好,搞清 这概念之后我们就可以去看看我们平时所使用的电池的电量到底有 多少了。以最常见的3S2200MAH(毫安时)的锂电来说,储存在里面 的电量理论上大概应该是(3*3.7 伏)*2.2 安时=22.42 瓦时,其中 2.2 安时(2.2AH)就是电池上所标称的 2200 毫安时(2200MAH)的 换算结果,因为 1000MAH=1AH,电压我们就按平时最常说的 3.7 单片电芯电压来算。算出来的22.42瓦时就代表如果你的多轴使用的 是这块电池,而且整体飞行时的功率只◇•■★▼有22.42 瓦,那么飞行一个小 时是没问题的了。如果你的多轴功率是100 瓦,那么用3S2200MAH 块电池能飞多久呢?换算一下就知道了:60/(100/22.42)=13.45分钟。其实,耗电量在实际情况下我们不是算出来的,而是飞出来的, 飞完一块电池后回来能充回进去的电量才是比较真实的耗电量,一般 好点的充电器都会有充电量显示。说了这么久,那到底耗电量我们应 该怎样去控制才能让多轴能载大、航长、耗小呢?这个问题就取决于 多旋翼无人机知识手册 你如何去控制你多轴飞行器的飞行效率了。飞行效率:飞行的效率一般我们用‘克/瓦’表示,代表每瓦的 消耗能产生几克的拉力,其高低与电机自身的效率和桨的搭配有着密 切的关系,但电机的效率一般都是生产厂家给出的数据,而且还存在 一定的水分,电机的型号相同厂家不同效率上也会有所不同,我们无 法控制,只有选择的权利。一般好点厂家的电机都会给出相应的配桨 效率参数,在厂家给出的效率表中,我们不难发现在电机效率高的情 况下一般都是大桨低转速时才会有,所以如▲★-●果想让多轴飞行效率高可 以考虑尽量用KV 值低的电机上大桨。 经验得出的结论: 在不考虑多轴的结构、震动、平衡等方面带来的损耗的基础上, 我们可以用下面两个较为简单的计算方法来对飞行器的安装和调试 进行一些判断。 方法一:(适用于装机) 飞行时间 60/(飞行重量 /(电池实际容量 效率))例如:你看上了一堆配置,大概参数是这样:4S5000MAH 的电池(重 500 克)、六轴机架(重 400 克)、电调(6*20 克)、电机和桨(6*100克),飞行器的飞行重量 2020克左右。假设根据厂家给出的数据,电机在和某桨搭配时, 在30%的输出功率时拉力是300 克效率是13 克瓦,在50%的输出功率 时拉力是 500 克效率是10 克瓦,在80%的输出功率时拉力是800 效率是7克瓦,根据多轴的2020 克飞行重量得知每个电机的输出拉 多旋翼无人机知识手册 力应在340克以上才能实现悬停,那么我们可以根据厂家给出的参数 保守的推算一下,在输出340 克的拉力时效率应该还会有12 飞行时间=60/(2020 14.8*12))=26.43 分钟 所以理论上这套配置配出的多轴可以飞行26.43 分钟,但最后剔 除一些电池放电是否能达到标称值、电机参数是否存在虚标、桨的标 准程度等因素,保守估计应该会有20 分钟左右的悬停时间。 方法二:(适用于调试) 效率 飞行重量/((60 飞行时间)*电池实▼▼▽●▽●际每小时电流 池电压)例如:接上例你把飞机装好了,飞行重量2020 克,悬停爽飞了18 钟,回来充电充进了4500MAH充满,那么机子的实际飞行效率是多少 效率=2020/((60 所以你的多轴飞行效率应该是9.1克每瓦,对比当初的厂家效率 表效率明显偏低的了,这个时候你就可以自己分析一下是厂家虚标 了,还是机子结构上有什么其他不合理的地方增加了内耗,或者还是 其他什么方面的原因了。 第四章 操作方法实例 装机测试: 多旋翼无人机知识手册 因多轴飞行器构造简单,相对直升机调试容易,对飞手基础知识要求大大降低,导致近年航模爱好者和拍摄领域的流行。流行同时, 因为飞行门槛降低,很多不具备足够经验的新手在安装多轴飞行器过 程中缺乏相关知识,摔机事故频发。某些调试盲点甚至是已入模多年 的模友也难以避免。 本文以作者自身经验,在组装六轴飞行器过程中,边装边写。针 对目前绝大部分多轴装机用户存在的测试盲区,和忽略的细节,做一 个诠释和补充。 选择机架 镂空过多、中心板薄、电机臂碳管过小的机架会带来无法消除的 震动,使航拍画面产生水波纹而无法忍受,且给飞控带来负作用较大 的信号噪声,影响姿态数据采集和动力输出。如飞行器起飞重量大于 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。 市面上不少碳纤机架边缘过于锋利,不加以处理,长时间与线材 摩擦,会造成绝缘皮破损,甚至短路。动力线、信号线等需要穿越碳 纤机架边缘、开槽、开孔处时,建议用胶布先覆盖线材需要穿越区域 或套上蛇皮管一类,保护线材绝缘皮不会磨损。如有耐心,能再次打 磨机架边缘并用502 封边则更佳。 选择接收机 至少为多轴飞行器准备 PCM 2.4G接收机,PPM 接收机用于多 轴将是一场噩梦,不管你调整如何精细,PPM 不抗干扰抖舵特性会让 多旋翼无人机知识手册 所有努力付之一炬。没有失控保护或没有稳定失控保护触发(部分二次变频 PPM 接收机支持失控保护,但触发不稳定),都会导致丢机和 摔机。飞行前务必在未安装螺旋桨时,测试关控后飞控是否进入正确 状态,接收机失控保护是否正确运转。 商用数传电台抗干扰、支持跳频、带数据效验和冗余,在数据回 传、失控保护方面也非常稳定,配合飞控支持的地面站能定航点定航 路完成预定任务,同样是好选择。但APC250 之类稳定性欠佳的低端 定频数传则不建议采用。 市面上流行的飞控如NAZA、Wookong-M、SuperX、X4、X6 在遥控 器校准界面皆可观察接收机的舵量输出,如未打舵情况下任何通道跳 动,很不幸你的接收机质量欠佳或控的电位器已经磨损,导致了抖舵, 未排除故障前,不建议做任何校准和飞行。 接收机天线摆放 多轴飞行器上天线摆放的重要性,仅次于选择质量优良的接收 机。就市面流行的接收机而言,存在FM、2.4G、433M、900M 几种, 统一遵循的原则是,尽可能远离信号发射和接收装置,尤其是远离图 传、碳纤材料、和金属,使用泡沫材料把天线 米。FM天线摆放需不缠绕,不重叠,尽可能舒展天线长度。能在确◆◁• 保不会缠绕到螺旋桨的情况下,耷拉在机体下方一段长度最好。433M、 900M 接收天线G 接收两根天线 度摆放即可。 FUTABA 的接收机说明书中,有明确写到接收机应远离碳纤、导体, 可能的话将接收机与碳纤材料隔开 15 厘米◇=△▲以上距离。当然这在多轴 多旋翼无人机知识手册 上是很难做到的,但尽你所能,为接收机创造良好的收讯条件。 电机与电调匹配 现在市面上销售的多轴电机,基本都提供电机搭配各种桨在不同 油门下的测试曲线图或表格。按最大推荐螺旋桨配置,并 100%油门 时消耗的电流大约一倍配置电调,只要飞行器不超载,是安全的。如 朗宇X4112S 配DJI 15X5 碳纤桨最大电流能到17A,配置30A 能满足需要。需要注意!电机连接电调尽量不使用香蕉头,焊接能消除接触不 良的隐患。 电调延长电源线只需采购与电调相同号数的硅胶线即可,多之无 用。并联到插头时需要采用更高电流规格的硅胶线 号之间。多轴飞行器电机与电调的兼容适配和测试是一大难 题,且因为电调输出交流相位与电机的不匹配,会导致严重后果。更 让人无奈的是,在常规飞行和负载情况下,很多电机与电调的不兼容 表现不明显。甚至一些飞行器在多次全负载温和航线下也顺利飞行, 但在做大机动时才显露问题,表现为瞬间一个或多个电机驱动缺相, 直接跌落(排除电源接触不良,香蕉头接触问题等)。 曾经遇到过:DJI 30A 电调与双天盘式电机存在严重兼容性问题, 启动后电机会发出明显的转动异响和啸叫,1 分钟内电机滚烫,且其 中一个电机线圈开始冒烟。 要完全杜绝和排除此问题也较困难,因航模民用领域多轴,几乎 100%是开环结构,无法检测到每个电机是否转速正常。(工业用多轴 多旋翼无人机知识手册 不少电机是内置转速计并输出给飞控)单独给每个电机安装转速计和电流计来测试实现成本又太高。 最基础测试电机与电调兼容性问题的方案: 在地面拆除螺旋桨,姿态或增稳模式启动,启动后油门推至50%, 大角度晃动机身、大范围变化油门量,使飞控输出动力。仔细聆听电 机转动声音,并测量电机温度。测试需要逐渐增加时间,如电机温度 正常,一开始测试30 分钟递增。以上测试并不能完全杜绝因电机与电调兼容性的摔机,只能在一定程度上排除可能性。 选择动力电池 目前航模用多旋翼飞行器一般总电流不会超过 100A,选择 10~30C 放电能力的锂电都可满足需要。但考虑到 米以上、或小轴距上下双桨结构、异形机架的电流需求变化起伏大,最精确当然还是 众所周知,电池容量乘以放电C数即可得到电池持续放电电流, 以最常见的XAircraft X650 为例,4S 动力配置如选择25C 5000MA 4S 电池,持续放电电流可达125A,完全满足飞行器需要。 值得注意的是,市面杂牌动力电池虚标、掉电压、虚焊问题严重, 尽量选择知名厂家的优质电池。避免空中掉电摔机造成更大损失。 如果飞行器需要携带较重的云台、摄影、数据采集设备,则最好选择 数但能满足动力电流需要的高密度轻量化电池。更可考虑双电源输入,双电池并联供电加多一重保险。 小心检查电机轴机米和卡簧 多旋翼无人机知识手册 以朗宇X4112S电机为例,固定电机轴的两颗机米并未打螺丝胶, 而我遇到6 个电机其中2 个,完全不用费一点力气,螺丝刀可以很轻 松的弄下机米,这在飞行中很可能造成电机轴打滑的隐患。 建议!每个机米都卸下自己打螺丝胶安装(模型直升机组装基本 都需打螺丝胶),并确认电机轴卡□◁簧是否紧密。 信号线与电源线的处理 每个电机供电电调的舵机信号插头,在有条件和基础的情况下, 小心把舵机信号插针从塑料插头中取出,将信号线◆▼加上焊锡,与信号 插针融为一体再插回,确保没有松动可能。焊锡用量需恰到好处,焊 接一气呵成,且不可影响插针插入至原始深度。所有焊接务必等待焊 10秒左右冷却,才可确保牢靠,再热缩管缩紧。所有接头处,尽 量打胶固定,不管是BEC、GPS、图传都有松动的可能。 强烈建议勿使用任何转接头,正品XT60 插头耐持续放电电流为 80A,是1 米轴距以下四轴、六轴插头最起码配置。更大的多轴飞行 器可能需要配备100~150A 耐持续放电规格的插头。如须用到动力电 并联板,也需选择铜箔厚度达标的产品,且焊接时需要用到高功率电 烙铁以防散热面积大,焊接温度不足引起的虚焊。但我个人并不推荐 动力电☆△◆▲■并联板供电的方式,因多轴为减轻重量,以碳纤版为机架主要 材料,摔机后损伤的碳纤碎片、并联板变形可能导致直接短路,全部 设备有玉石俱焚的可能。留有长度余量的动力电硅胶线并联则可一定 程度上规避短路。 油门行程确认 多旋翼无人机知识手册 在有条件和基础的情况下,尽量制作与轴数相同的信号并连线,同时对所有电机进行油门行程校正。校正后,使用遥控器的油门微调 逐加,直到所有电机同时运转,再逐减油门微调,直到所有电机同时 停止,以此验证每个电机,油门行程都精确一致。在逐个给电调加电 校正油门行程情况下,有可能会出现其中某个或多个电机启动微调级 别启动不一致的情况,需重校油门行程,直到所有电机同步启动和停 止。如已接驳飞控,则需手动模式启动,同样验证是否所有电机启停 一致。 电调设置 建议新电调到手后,根据说明书复位电调设置一次,然后低压保 护设置为最低电压、关闭电调刹车、定速。设置完毕后在未安装螺△▪▲□△旋 桨的情况下,再次确认每个电机的转向是否与飞控说明书中对应的多 轴飞行器电机转向一致。如飞控调参软件提供电机测试功能,则应逐 个电机测试是否轴位正确,转向相符。 校正电机座水平和每个电机臂与中心板的轴距 有条件使用数字角度仪测量每个电机座与中心板的角度完全水 平。没有数字角度仪亦可采用气泡水平计,当然测量精度略差。测量 每个电机臂与中心板的轴距一致。以上校正为了消除低效的动力输 出,和电机自身角度误差带来的额外能量消耗。 失控返航设置 失控触发通道的接线尤其需要注意牢靠,飞控原配线材一般质量 不错,安装后打胶能保证可靠连接。如接收机出线接触不良,飞控就

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