我是无人机小飞手多旋翼无人机的基本组成和布局（下）

北京小飞手教育科技有限公司/彭涛

复杂的飞控系统

三、控制系统

1.飞行控制系统

飞行控制系统简称飞控，可以看作无人机的大脑，是完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统。不管是无人机自动保持飞行状态（如悬停）还是对无人机人为操作，都需要通过飞控系统对其动力系统进行实时调节。工作时，飞控可发送各种指令，并处理各部件传回的数据，就像人体的大脑对身体各个部位发送指令那样。一些高阶的飞控系统除了保证无人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。

飞控一般包括传感器、机载计算机和控制舵机三大部分，以实现无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理和应急控制三大类功能。对于多旋翼无人机来说，其主要由检测模块、控制模块、执行模块以及供电模块组成。其中检测模块实现对当前姿态进行量测；执行模块则对当前姿态进行解算、优化控制，并对执行模块产生相对应的控制量；供电模块对整个系统进行供电。为实现这些功能，多旋翼无人机的飞控上一般会装有加速度计、气压计、陀螺仪、地磁仪、定位芯片、主控芯片等多种零部件。

手持式无人机遥控设备

无人机操纵地面站

2.遥控系统

无人机遥控系统，主要由遥控器、接收器、解码器、伺服系统组成。遥控器是操作平台，接收器接到遥控器信号进行解码，分离出动作信号传输给伺服系统，伺服系统则根据信号做出相应的动作。常见的遥控设备有手持遥控器和地面站两种。此外，消费级无人机通常还支持手机APP操纵方式。

无人机遥控系统一般采用2.4GHz无线电信号频率，以保证足够的传输距离。不同无人机间的通信协议不同，常见的有PWM、PPM、S-BUS、X-BUS等几种。

四、多旋翼无人机气动布局分类

多旋翼无人机常见的气动布局有“X”型、“十”型和“H”型3种。

1.“X”型

“X”型是多旋翼无人机最基础、最常见的气动布局。其电机臂的分布方式为以飞行器前进方向为中线，向左右两侧等分角度。以四旋翼无人机为例，左前和右前机臂距机头中线的夹角均为45°，左后和右后机臂距机尾方向中线的夹角也均为45°。左右相邻电机臂上放置转动方向相反的电机和螺旋桨，以抵消电机转动时产生的反扭矩。若电机臂数超过4个，则按照等分原则，以60°为夹角（六旋翼无人机）或45°为夹角（八旋翼无人机），成对增加电机臂数。

2.“十”型

“十”型多旋翼气动结构是最早出现的布局之一。这种布局结构相对简单，只需通过改变横竖轴向上的电机转速，即可改变飞行器的运动姿态，进而实现前进后退和左右平移的基础飞行。不过，随着无人机航拍的兴起和普及，采用“十”型布局的无人机在拍摄正面镜头时，螺旋桨会出现在画面的视界里（俗称“漏桨”），造成不便。随着飞控的性能提升，该型布局逐渐被“X”型所替代。

四旋翼的“十”型布局最简单，通常为无人机横纵轴上各设一对电机臂。若电机臂数增加，则保证无人机纵轴（前进后退方向）上的电机臂不变，其他电机臂以60°夹角（六旋翼）或45°夹角（八旋翼）平均分布即可。

3.“H”型

“H”型布局与“X”型气动布局相似，但出现时间最晚。其优点是可将电机臂设计成折叠结构，以进一步减小无人机的体积，便于日常携带。但是“H”型布局的缺点也很明显，即相同级别下，“H”型布局的无人机需要更大尺寸的螺旋桨，才能达到同“X”型布局无人机一样的飞行性能，这直接导致了整机的重量增加。

“X”型旋翼气动布局与电机转向示意图

“十”型旋翼气动布局与电机转向示意图

采用“H”型布局的无人机

采用八旋翼结构的大型无人机

采用四旋翼结构的消费级无人机

五、多旋翼无人机常见分类

常见的无人机有四旋翼、六旋翼、八旋翼几种。其中，四旋翼是一种结构简单、飞行效率较高的多旋翼结构，也是目前市场上保有量最多的多旋翼无人机类型。但是，四旋翼无人机没有动力冗余设计，在飞行中只要有一个电机停止转动，无人机都会出现失控的情况。六旋翼无人机相较于四旋翼无人机，增加了动力冗余，提高了飞行的安全性，即便出现电机停转（不超过2个）的情况，仍然可以安全降落。而对于任务载荷要求较高的大型多旋翼机型，在设计时为增加飞行效率，通常会采用8个甚至16个旋翼的设计方式。

那么，旋翼的数量到底多少才是最好的？这个问题可以从以下几方面综合考虑。

1.稳定性

对于多旋翼飞行器来说，飞行时能够参与控制的量（电机数）越多，飞行控制越精细。此外，旋翼数越多，对动力系统故障的容错率就越高，即飞行器拥有更多的动力备份，保证其在突发状况下仍具有平稳降落的能力。从这个角度看，八旋翼无人机的稳定性无疑是最佳的。

2.设计难度

随着旋翼数量的增加，每个旋翼间的距离会变小，可供设计布局的空间会减小。对于四旋翼无人机来说，其机臂的长短、选用螺旋桨的尺寸种类繁多，可根据飞行环境、任务需要进行不同搭配。而八旋翼无人机为避免螺旋桨干涉，电机臂尺寸通常不能过短，但增加电机臂会增大整机重量，螺旋桨尺寸也不能设计得过小。另外，旋翼臂增加后，其很难设计成折叠的样式，导致无人机占用空间更大，运输和存储不便。这样看来，四旋翼无人机的灵活性更高一筹。

综上，对于无人机来说，应根据其实际用途来选择旋翼数。通常消费级无人机更适合四旋翼结构，而对载荷有一定要求的无人机，如植保无人机等，则可选择六旋翼或八旋翼机构。