多旋翼无人机的基本组成和布局

2021-04-05

无人机 2021年1期

多旋翼无人机出现在21世纪初，它依靠若干旋翼为无人机的飞行提供升力和推力。多旋翼无人机的旋翼大小相同，分布位置对称，通过调节旋翼转速来调整实现无人机的悬停、前进等飞行动作。由于多旋翼无人机需要对旋翼的旋转速度进行精准的同步控制，因此往往选用电动机作为旋翼驱动装置。多旋翼无人机飞行稳定，操纵灵活，结构简单，体积小，重量轻，成本低，可以在人不易进入的各种恶劣环境工作，常被用于执行航拍取景、实时监控、地形勘探等任务。目前，无人机在快递等新兴领域也得到应用。鉴于以上因素，多旋翼无人机也最容易进入大众消费的领域，在消费领域得到广泛应用。

多旋翼无人机平台由机身、动力系统和控制系统等组成。其中，机架、支臂、起落架、任务载荷设备构成了机身主体，电机、螺旋桨、电调、电池构成了动力系统。飞控导航设备、机上数据链路构成了控制系统。

多旋翼无人机的旋翼个数大多数为偶数(少数无人机采用三旋翼)，并对称分布在机体的前后、左右四个方向，多个旋翼处于同一高度平面或上下两个高度平面，且各旋翼的结构和半径都相同，相邻的旋翼安装正反螺旋桨，用以抵消陀螺效应和旋转扭矩。另外，还会根据实际任务需求搭载相关的设备，例如航拍时会用到图传发射器和接收器(也被称作FPV设备)，能够实时地查看无人机拍到的画面。

动力系统

动力系统包含动力源、电机、电调、螺旋桨。

图1 多旋翼无人机组成

动力源

动力源是为无人机提供飞行动力的部件，一般分为油动和电动两种。近年来出现了氢燃料动力源。电动多旋翼无人机是最主流的机型，动力系统由电机、电调、电池三部分组成。无人机使用的电池一般都是高能量密度的锂聚合物电池，由于一些客观原因，理论上每300g锂电池可以为重量500g的无人机提供17min飞行时间。受制于现有的技术水平和成本，氢燃料电池、太阳能电池等暂时还无法普及。无人机主要在露天作业，对电机、电调系统的稳定性要求较高，需要定期进行检查、保养、防水、防潮。

电机

电机也称为“马达”，类似于人体中的四肢。电机一端固定在机臂的电机座上，另一端用来固定螺旋桨。电机将电能转化为机械能，带动螺旋桨旋转，为无人机产生推力。

图2 锂电池

图3 无刷电机

电机大致分为无刷电机和有刷电机。通常来讲，有刷电机是内部含有换相电刷的电动机。四旋翼无人机大多数采用无刷电机。无刷电机具有低干扰、低噪声、长寿命、低能耗、高效率的优点。微小型四旋翼无人机一般使用空心杯电机，空心杯电机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子，空心杯电机具有重量轻、体积小、能耗低、启动制动响应时间快的优点。值得注意的是，空心杯电机也分为无刷和有刷，一般选用无刷空心杯电机。

电调

电子调速器英文缩写ESC(中文简称电调)，可以分为无刷电子调速器与有刷电子调速器。电子调速器是一个控制电机转速的控制装置。它根据接收的信号，通过控制器和执行器来改变电能供电的大小，作用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。因为是给电机调节速度的，所以电调也分为有刷电调和无刷电调，电调上的几根线连接电机、电池、飞控，输入端2根线，接到电源正负极，输出端是3根线，接到电机上，信号线接到飞控上，给飞控供电和接收命令。电调里常说的A数，就是电流安培数。例如30A的电调，就是适用于电流30A的无刷电机。

图4 电调

螺旋桨

螺旋桨安装在电机上面，通过旋转将机械能转换为动能，提供升力让四旋翼无人机起飞。四旋翼无人机为了抵消螺旋桨产生的反扭力，相隔的螺旋桨旋转方向不一样，所以分为正反桨，正桨和反桨风都是向下吹。俯视时，顺时针旋转的是反桨，逆时针旋转的为正桨。

机身主体

机架

无人机的机架或机身指无人机的承载平台，一般选择高强度轻质材料制造，例如：玻纤、玻纤维、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、聚丙烯(PP)、尼龙、改性塑料、改性聚碳酸酯(PC)、树脂、铝合金等。无人机所有的设备都是安装在机架机身上，支架数量也决定了该无人机为几旋翼无人机。优秀的无人机机架设计可以让其他各个部件安装合理，坚固稳定，拆装方便。

脚架

脚架也称起落架，是整个无人机系统中唯一一个能够全部支撑起整架无人机的部件，在起飞和降落时起到支撑和缓冲的作用。

云台

无人机云台是无人机用于安装、固定摄像机等任务载荷的支撑设备。

云台控制系统主要是研究以单片机作为控制系统的主控芯片，结合各种传感器和执行机构而开发的云台专用控制系统。云台控制系统的功能主要包括两个方面，一是实现云台的自稳功能，也就是稳像功能;二是控制云台在空间方位的转动。若控制对象有可控部分，如相机的拍照和光圈的调节等，控制系统还应该对其有相应的控制功能。

云台就是两个直流电机组成的安装平台，可水平和垂直方向运动。但要注意区别于照相器材中的云台概念。照相器材的云台一般来说只是一个三脚架，只能通过手工来调节方位，而无人机所搭载的云台是通过控制系统，在远程控制其转动及移动的方向。云台转动速度是衡量云台档次高低的重要指标。云台水平和垂直方向是由两个不同的电机驱动的，因此云台的转动速度也分为水平转速和垂直转速。由于载重的原因，垂直电机在启动和运行保持时的扭矩大于水平方向的扭矩，再加上实际监控时对水平转速的要求要高于垂直转速。因此一般来说，云台的垂直转速要低于水平转速。

控制系统

飞控控制系统

图5 可以电动收起的起落架

图6 云台

飞控控制系统(简称飞控系统)是无人机的飞行控制系统，不管是无人机自动保持飞行状态还是对无人机人为操作，都需要通过飞控系统对无人机动力系统进行实时调节。一些高阶的飞控系统除了保证飞机正常飞行导航功能以外，还有安全冗余、飞行数据记录、飞行参数调整和自动飞行优化等功能。飞控系统是整个无人机的控制核心，主要包括飞行控制、加速计、气压计、传感器、陀螺仪、地磁仪、定位芯片、主控芯片等多个部件。