淺析多旋翼無人機(jī)

摘 要：近年來，隨著現(xiàn)代航空技術(shù)、智能電子技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)得到了迅速提高，在軍事和民用等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。尤其在民用領(lǐng)域，無人機(jī)可以代替人類完成很多繁重甚至無法正常完成的工作。本文簡要介紹了目前在民用領(lǐng)域較普及的多旋翼無人機(jī)的飛行原理、平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成、飛行控制、各分系統(tǒng)的構(gòu)成特點(diǎn)以及自診斷修復(fù)等知識(shí)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；多旋翼；導(dǎo)航；飛控；動(dòng)力系統(tǒng)；診斷修復(fù)

目前，無人機(jī)按照飛行平臺(tái)構(gòu)型分為固定翼、旋翼、無人飛艇、傘翼和撲翼等類型。其中旋翼無人機(jī)又分為單（雙）旋翼直升機(jī)、多旋翼無人機(jī)以及變模態(tài)旋翼機(jī)等類型。而多旋翼無人機(jī)以其機(jī)構(gòu)簡單、造價(jià)低、便于小型化生產(chǎn)以及便于很快掌握飛行技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各類生產(chǎn)及生活當(dāng)中。常見多旋翼無人機(jī)主要有四軸、六軸和八軸等類型。

一、飛行原理

簡單說，多旋翼飛行器是基于同一平臺(tái)上的多臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)槳葉同時(shí)旋轉(zhuǎn)與空氣產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而獲得升力的。常用的有兩種架構(gòu)模式：X字模式和十字模式 。X模式以其效率高而得到廣泛使用。多個(gè)電機(jī)對(duì)稱分布在各個(gè)軸上，并且同一條軸線上電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向要保證相同，相鄰的電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反， 是為了克服反扭矩的影響。通過控制各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來完成繞橫軸（X）的俯仰、繞縱軸（Y）的橫滾以及繞豎軸（Z）的偏航等飛行動(dòng)作。

二、平臺(tái)系統(tǒng)

主要由結(jié)構(gòu)、飛控、動(dòng)力和機(jī)載鏈路分系統(tǒng)構(gòu)成。其中結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)主要有機(jī)架、腳架和云臺(tái)等；飛控分系統(tǒng)包括主控、飛控軟硬件、外接式IMU（慣性測(cè)量單元）、各類外接傳感器以及GPS天線等；動(dòng)力分系統(tǒng)主要包括螺旋槳、電機(jī)、電調(diào)和電池；機(jī)載鏈路分系統(tǒng)主要有遙控接收機(jī)、機(jī)載數(shù)傳模塊天線和機(jī)載圖傳模塊天線。具體由控制、姿態(tài)測(cè)量、電源供電、無線通信、GPS衛(wèi)星定位、遙控器控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、串口通信、地面站等模塊組成。

三、飛行控制

飛行控制器簡稱飛控，是無人機(jī)的核心構(gòu)件。飛控獲得從機(jī)載接收機(jī)發(fā)出的PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)，隨后把該信號(hào)轉(zhuǎn)化成控制量，再經(jīng)過PID（比例積分微分）調(diào)節(jié)把輸出量輸送給給各個(gè)電機(jī)來控制飛行器的動(dòng)作。GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)檢測(cè)到4顆以上衛(wèi)星就可以配合上位機(jī)輸入對(duì)應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)讀取定位數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)生成航線，并且與存儲(chǔ)的定位坐標(biāo)做實(shí)時(shí)的對(duì)比來修正航線?，F(xiàn)在的飛控都帶有電子陀螺儀，磁羅盤，加速度計(jì)，氣壓計(jì)等傳感器，在姿態(tài)穩(wěn)定的模式下，通過軟件算法來解析飛行器姿態(tài)，修正由于飛行器安裝、外界干擾、零件之間的差異等原因形成的姿態(tài)異常，幫助保持穩(wěn)定狀態(tài)。一些安裝有GPS的飛控可以在遙控失控等特殊情況下自動(dòng)返回起飛點(diǎn)。

四、動(dòng)力系統(tǒng)

（一）電機(jī)

通常選用外轉(zhuǎn)子無刷交流同步電動(dòng)機(jī)，參數(shù)主要有大小尺寸、KV值、匝數(shù)和效率。尺寸是指電機(jī)定子線圈直徑和高度，KV值是指每外加1V的電壓電機(jī)每分鐘空轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，定子線圈匝數(shù)用多少T表示，例如：9T。同等電壓下，匝數(shù)多的KV值小而扭矩大適合帶大槳；而匝數(shù)少的KV值大而扭矩小適合帶小槳。效率的標(biāo)注方式是g/W（克/瓦），電機(jī)電流控制在3-5A時(shí)效率是最高， KV值越小效率越高。正常飛行時(shí)的效率保持8g/W以上，可保證良好的續(xù)航能力。

（二）電池

主要包括：鎳氫電池、鎳鉻電池和鋰聚合物電池等。前兩種電池因重量重、能量密度低已被聚合物鋰電池所取代。電池的標(biāo)稱主要有電壓、容量和放電能力。放電能力用多少C表示，最大持續(xù)放電電流是電池容量乘以C，例如：5200mAh電池最大的持續(xù)放電電流就是5.2*30=156A；電池電壓由串聯(lián)的片數(shù)決定，用多少S表示，單片的充滿電壓為4.2V，額定電壓為3.7V，而終止放電電壓不得低于2.5V。例如：4S鋰電池充滿電壓為4*4.2V=16.8V，額定電壓為4*3.7V=14.8V，放電終止電壓為4*2.5V=10V。

（三）螺旋槳

螺旋槳規(guī)格由4位數(shù)字表示，前兩位數(shù)表示槳徑，后兩位數(shù)表示螺距。槳的材質(zhì)主要有塑料、碳纖和木質(zhì)三種。當(dāng)然是選擇碳纖維槳最好，如果載重很大的話可以選擇櫸木槳。一般情況，大KV值配小槳，小KV值配大槳；同樣KV的電機(jī)，使用不同電壓的電池，用的螺旋槳也有區(qū)別，每個(gè)電機(jī)都會(huì)有一個(gè)推薦的螺旋槳；還有天熱時(shí)就要用小些的槳，防止電機(jī)過熱，而在北方冬季，可以用大些的螺旋槳來抵消電池低溫放電性能下降。

（四）電子調(diào)速器

電子調(diào)速器（ESC）簡稱電調(diào)，它是根據(jù)飛控的控制信號(hào)，將電池的直流輸入轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢l率的交流輸出，用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電調(diào)規(guī)格標(biāo)注的是其瞬時(shí)承受電流，一般要選用高于飛行器懸停電流的4～5倍。電調(diào)的供電能力是指如果電調(diào)上標(biāo)注BEC5V1A，表明可以通過杜邦線向飛控或接收機(jī)提供5V電壓和5W的功率。電調(diào)接電機(jī)的三根線中任意調(diào)換兩根就可改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，通過遙控器設(shè)置電調(diào)時(shí)一定要接上電機(jī)。

五、通訊鏈路

無人機(jī)與控制站之間的實(shí)時(shí)信息交換需要通過通訊鏈路來實(shí)現(xiàn)。目前，民用無人機(jī)通訊鏈路主要就3條：

一是手持遙控器（RC）與機(jī)載接收機(jī)的單向上傳鏈路（72M、433M、2.4G）；

二是筆記本電腦鏈接的數(shù)傳發(fā)射模塊與機(jī)載接收模塊的雙向通訊鏈路（900M、2.4G）；

三是機(jī)載圖傳發(fā)射模塊與地面接收模塊的單向下傳鏈路（1.2G、2.4G、5.8G）。

六、故障診斷與自修復(fù)

復(fù)雜飛行環(huán)境下的故障診斷與容錯(cuò)能力可以提高無人機(jī)飛行的安全性、可靠性及早期故障的適應(yīng)與防護(hù)能力，同時(shí)自診斷與自修復(fù)能力也是構(gòu)成完全自主飛行控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。目前，不斷增大的無人機(jī)架構(gòu)和其昂貴的任務(wù)設(shè)備要求無人機(jī)自我修復(fù)的最佳方案就是構(gòu)造雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，以保證在發(fā)生故障時(shí)可以自行啟動(dòng)輔助控制，產(chǎn)生報(bào)警信息，從而實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)保護(hù)飛行器自身安全。

當(dāng)前，雖然多旋翼無人機(jī)越來越得到廣泛應(yīng)用，但同時(shí)也面臨動(dòng)力裝置缺陷，續(xù)航能力不足，智能化程度不夠以及機(jī)動(dòng)能力差等缺點(diǎn)。在復(fù)雜多變的環(huán)境條件下如果缺乏人的控制干預(yù)，容易出現(xiàn)意外情況發(fā)生。因此，筆者認(rèn)為，提高無人機(jī)續(xù)航和機(jī)動(dòng)能力、更高智能自主飛行控制、決策、管理及健康診斷和自修復(fù)將成為其今后研發(fā)的重點(diǎn)。

作者簡介：劉遠(yuǎn)星（1967-），男，石家莊市機(jī)械技工學(xué)校電氣專業(yè)部主任。