多旋翼無人機的基本組成和布局

多旋翼無人機出現(xiàn)在21世紀初，它依靠若干旋翼為無人機的飛行提供升力和推力。多旋翼無人機的旋翼大小相同，分布位置對稱，通過調(diào)節(jié)旋翼轉(zhuǎn)速來調(diào)整實現(xiàn)無人機的懸停、前進等飛行動作。由于多旋翼無人機需要對旋翼的旋轉(zhuǎn)速度進行精準的同步控制，因此往往選用電動機作為旋翼驅(qū)動裝置。多旋翼無人機飛行穩(wěn)定，操縱靈活，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，成本低，可以在人不易進入的各種惡劣環(huán)境工作，常被用于執(zhí)行航拍取景、實時監(jiān)控、地形勘探等任務。目前，無人機在快遞等新興領(lǐng)域也得到應用。鑒于以上因素，多旋翼無人機也最容易進入大眾消費的領(lǐng)域，在消費領(lǐng)域得到廣泛應用。

多旋翼無人機平臺由機身、動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。其中，機架、支臂、起落架、任務載荷設(shè)備構(gòu)成了機身主體，電機、螺旋槳、電調(diào)、電池構(gòu)成了動力系統(tǒng)。飛控導航設(shè)備、機上數(shù)據(jù)鏈路構(gòu)成了控制系統(tǒng)。

多旋翼無人機的旋翼個數(shù)大多數(shù)為偶數(shù)(少數(shù)無人機采用三旋翼)，并對稱分布在機體的前后、左右四個方向，多個旋翼處于同一高度平面或上下兩個高度平面，且各旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，相鄰的旋翼安裝正反螺旋槳，用以抵消陀螺效應和旋轉(zhuǎn)扭矩。另外，還會根據(jù)實際任務需求搭載相關(guān)的設(shè)備，例如航拍時會用到圖傳發(fā)射器和接收器(也被稱作FPV設(shè)備)，能夠?qū)崟r地查看無人機拍到的畫面。

動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)包含動力源、電機、電調(diào)、螺旋槳。

圖1 多旋翼無人機組成

動力源

動力源是為無人機提供飛行動力的部件，一般分為油動和電動兩種。近年來出現(xiàn)了氫燃料動力源。電動多旋翼無人機是最主流的機型，動力系統(tǒng)由電機、電調(diào)、電池三部分組成。無人機使用的電池一般都是高能量密度的鋰聚合物電池，由于一些客觀原因，理論上每300g鋰電池可以為重量500g的無人機提供17min飛行時間。受制于現(xiàn)有的技術(shù)水平和成本，氫燃料電池、太陽能電池等暫時還無法普及。無人機主要在露天作業(yè)，對電機、電調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高，需要定期進行檢查、保養(yǎng)、防水、防潮。

電機

電機也稱為“馬達”，類似于人體中的四肢。電機一端固定在機臂的電機座上，另一端用來固定螺旋槳。電機將電能轉(zhuǎn)化為機械能，帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)，為無人機產(chǎn)生推力。

圖2 鋰電池

圖3 無刷電機

電機大致分為無刷電機和有刷電機。通常來講，有刷電機是內(nèi)部含有換相電刷的電動機。四旋翼無人機大多數(shù)采用無刷電機。無刷電機具有低干擾、低噪聲、長壽命、低能耗、高效率的優(yōu)點。微小型四旋翼無人機一般使用空心杯電機，空心杯電機在結(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，采用的是無鐵芯轉(zhuǎn)子，空心杯電機具有重量輕、體積小、能耗低、啟動制動響應時間快的優(yōu)點。值得注意的是，空心杯電機也分為無刷和有刷，一般選用無刷空心杯電機。

電調(diào)

電子調(diào)速器英文縮寫ESC(中文簡稱電調(diào))，可以分為無刷電子調(diào)速器與有刷電子調(diào)速器。電子調(diào)速器是一個控制電機轉(zhuǎn)速的控制裝置。它根據(jù)接收的信號，通過控制器和執(zhí)行器來改變電能供電的大小，作用就是將飛控板的控制信號，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯拇笮?，以控制電機的轉(zhuǎn)速。因為是給電機調(diào)節(jié)速度的，所以電調(diào)也分為有刷電調(diào)和無刷電調(diào)，電調(diào)上的幾根線連接電機、電池、飛控，輸入端2根線，接到電源正負極，輸出端是3根線，接到電機上，信號線接到飛控上，給飛控供電和接收命令。電調(diào)里常說的A數(shù)，就是電流安培數(shù)。例如30A的電調(diào)，就是適用于電流30A的無刷電機。

圖4 電調(diào)

螺旋槳

螺旋槳安裝在電機上面，通過旋轉(zhuǎn)將機械能轉(zhuǎn)換為動能，提供升力讓四旋翼無人機起飛。四旋翼無人機為了抵消螺旋槳產(chǎn)生的反扭力，相隔的螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向不一樣，所以分為正反槳，正槳和反槳風都是向下吹。俯視時，順時針旋轉(zhuǎn)的是反槳，逆時針旋轉(zhuǎn)的為正槳。

機身主體

機架

無人機的機架或機身指無人機的承載平臺，一般選擇高強度輕質(zhì)材料制造，例如：玻纖、玻纖維、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、聚丙烯(PP)、尼龍、改性塑料、改性聚碳酸酯(PC)、樹脂、鋁合金等。無人機所有的設(shè)備都是安裝在機架機身上，支架數(shù)量也決定了該無人機為幾旋翼無人機。優(yōu)秀的無人機機架設(shè)計可以讓其他各個部件安裝合理，堅固穩(wěn)定，拆裝方便。

腳架

腳架也稱起落架，是整個無人機系統(tǒng)中唯一一個能夠全部支撐起整架無人機的部件，在起飛和降落時起到支撐和緩沖的作用。

云臺

無人機云臺是無人機用于安裝、固定攝像機等任務載荷的支撐設(shè)備。

云臺控制系統(tǒng)主要是研究以單片機作為控制系統(tǒng)的主控芯片，結(jié)合各種傳感器和執(zhí)行機構(gòu)而開發(fā)的云臺專用控制系統(tǒng)。云臺控制系統(tǒng)的功能主要包括兩個方面，一是實現(xiàn)云臺的自穩(wěn)功能，也就是穩(wěn)像功能;二是控制云臺在空間方位的轉(zhuǎn)動。若控制對象有可控部分，如相機的拍照和光圈的調(diào)節(jié)等，控制系統(tǒng)還應該對其有相應的控制功能。

云臺就是兩個直流電機組成的安裝平臺，可水平和垂直方向運動。但要注意區(qū)別于照相器材中的云臺概念。照相器材的云臺一般來說只是一個三腳架，只能通過手工來調(diào)節(jié)方位，而無人機所搭載的云臺是通過控制系統(tǒng)，在遠程控制其轉(zhuǎn)動及移動的方向。云臺轉(zhuǎn)動速度是衡量云臺檔次高低的重要指標。云臺水平和垂直方向是由兩個不同的電機驅(qū)動的，因此云臺的轉(zhuǎn)動速度也分為水平轉(zhuǎn)速和垂直轉(zhuǎn)速。由于載重的原因，垂直電機在啟動和運行保持時的扭矩大于水平方向的扭矩，再加上實際監(jiān)控時對水平轉(zhuǎn)速的要求要高于垂直轉(zhuǎn)速。因此一般來說，云臺的垂直轉(zhuǎn)速要低于水平轉(zhuǎn)速。

控制系統(tǒng)

飛控控制系統(tǒng)

圖5 可以電動收起的起落架

圖6 云臺

飛控控制系統(tǒng)(簡稱飛控系統(tǒng))是無人機的飛行控制系統(tǒng)，不管是無人機自動保持飛行狀態(tài)還是對無人機人為操作，都需要通過飛控系統(tǒng)對無人機動力系統(tǒng)進行實時調(diào)節(jié)。一些高階的飛控系統(tǒng)除了保證飛機正常飛行導航功能以外，還有安全冗余、飛行數(shù)據(jù)記錄、飛行參數(shù)調(diào)整和自動飛行優(yōu)化等功能。飛控系統(tǒng)是整個無人機的控制核心，主要包括飛行控制、加速計、氣壓計、傳感器、陀螺儀、地磁儀、定位芯片、主控芯片等多個部件。

圖7 飛控

圖8 “X”型旋翼氣動布局與電機轉(zhuǎn)向示意圖

圖9 “十”型旋翼氣動布局與電機轉(zhuǎn)向示意圖

遙控系統(tǒng)

無人機遙控系統(tǒng)主要由遙控器、接收器、解碼器、伺服系統(tǒng)組成。遙控器是操作平臺，接收器接到遙控器信號進行解碼，分離出動作信號傳輸給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)則根據(jù)信號做出相應的動作。

多旋翼無人機氣動布局分類

多旋翼無人機常見的氣動布局有“X”型、“十”型、“H”型。

“X”型

“X”型是多旋翼無人機最基礎(chǔ)、最常見的氣動布局?！癤”型氣動布局是在飛行器前進方向的等分角度(左前和右前距機頭方向均45°，機尾反向的右后和左后距機尾方向均45°)放置相反方向的電機和螺旋槳來抵消電機轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的反扭力。

“十”型

“十”型多旋翼氣動結(jié)構(gòu)是最早出現(xiàn)的一種多旋翼氣動布局之一，這種布局很簡單，只需要改變軸向上電機的轉(zhuǎn)速，即可改變飛行器姿態(tài)進而實現(xiàn)基礎(chǔ)飛行。由于“十”型機構(gòu)正前方的螺旋槳會在航拍時進入畫面(俗稱“漏槳”)造成不便，隨著飛控的發(fā)展，“十”型布局逐漸被“X”型布局代替。

“H”型

“H”型與“X”型氣動布局相似，優(yōu)點在于通常設(shè)計為折疊結(jié)構(gòu)，“H”型機構(gòu)同時擁有“X”型布局的優(yōu)點，所以，很受用戶青睞。但是“H”型結(jié)構(gòu)缺點也比較明顯，要比同級別“X”型布局的無人機安裝同樣螺旋槳的飛機尺寸大，重量也重。

多旋翼無人機結(jié)構(gòu)布局

四旋翼無人機

圖10 “H”型氣動布局示意

圖11 四旋翼無人機

四旋翼是一種結(jié)構(gòu)簡單、飛行效率高的常見多旋翼結(jié)構(gòu)，也是目前市場上保有量最多的多旋翼無人機類型。多旋翼玩具、小型航拍機一般都選用該結(jié)構(gòu)。但是，四旋翼無人機沒有動力冗余，在飛行中只要有一個電機停止轉(zhuǎn)動，四旋翼無人機都會無法控制而出現(xiàn)“炸機”現(xiàn)象。

圖12 六旋翼無人機

圖13 八旋翼無人機

六旋翼無人機

理論上槳葉越大氣動效率越高。從這個角度來看，大中型的多旋翼無人機應該采用四軸設(shè)計，但是四旋翼沒有動力冗余，而六旋翼的設(shè)計可實現(xiàn)動力冗余，在飛行中一個電機停止轉(zhuǎn)動仍然可以安全降落。所以，大中型無人機設(shè)計時多采用六軸結(jié)構(gòu)。

八旋翼無人機

大型多旋翼無人機也可以采用更多旋翼數(shù)量，例如8軸，還有更多的像16軸等。

無人機的飛行還有很多的輔助設(shè)備，如地面站、定高定位模塊等。隨著科技的進步，更多布局新穎的無人機將會被制造出來?！?/p>