2021-02-11

多旋翼飞行器学习笔记

一、多旋翼基本组成

 1.1机架（机身、起落架、涵道）

1·机身

机身要考虑的有：尺寸、布局、材料、强度、重量。

指标参数包括：重量、轴距（外圈电机围城圆的直径）、布局、材料。

 

几种常见材料参数属性
	碳纤维	玻璃钢	聚碳酸酯	丙烯酸塑料	铝合金	轻木
密度（1b/cuin）	0.05	0.07	0.05	0.04	0.1	0.0027-0.0081
刚度（Msi）	9.3	2.7	0.75	0.38	10.3	0.16-0.9
强度（Ksi）	120	15-50	8-16	8-11	15-75	1-4.6
价钱（10：最便宜）	1	6	9	9	7	10
加工（10：最容易）	3	7	6	7	7	10

刚度：弹性模量表示是材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系;形变越难改变，刚度越大。

强度：抗拉强度就是试样拉断前承受的最大标称拉应力。

2·起落架

·作用：

1、支撑多旋翼重力

2、避免螺旋桨离地面太近而发生碰撞

3、减弱起飞时的地效

4、消耗和吸收多旋翼在着陆时的撞击能量。

地效：地面效应（Ground effect）亦称为翼地效应 （Wing-In-Ground effect，WIG）或翼面效应（Wing-In-Surface-Effect，WISE），运动物体贴近地面运行时，地面对物体产生的空气动力干扰。当飞行器接近地面飞行或运行时，地面影响到空气绕飞行器的流动特性。地面效应可产生于低空飞行的飞机或直升机，汽车和汽艇也存在这种效应。

3·涵道

·作用：

1、保护桨叶和人身安全

2、减少噪声

3、增加拉力效率

4、减少螺旋桨高速旋转时，翼尖涡流带来的损失

·参数：

1、扩散段长度

2、螺旋桨直径

1.2动力系统（电机、电调、电池、螺旋桨）

1·螺旋桨

·指标参数：

1、型号：螺旋桨一般由4个数字组成，前两位是直径，后两位是螺距。如APC 1045（10*45）桨的直径为10英寸，螺距为4.5英寸。

螺距：螺旋桨在不能流动的介质里旋转一圈所前进的距离，也称桨距。

2、弦长：一般选择螺旋桨半径2/3处的弦长作为标称弦长。

 

3、转动惯量：较小的转动惯量可以提升电机的响应速度，从而提升多旋翼的性能。较小转动惯量的螺旋桨还可以节省能量。

4、桨叶数：二叶桨力效大于三叶桨，但是最大拉力相同的前提下，二叶桨直径比三叶桨大。

5、安全转速：转速超过定值，具有柔性的桨叶可能会发生形变，导致效率降低。

6、螺旋桨力效：力效（g/W）=拉力（g）/机械功率（W）

机械功率（W）=输出力矩（N·m）*螺旋桨转速（rad/s）

·静平衡和动平衡：

静平衡：螺旋桨重心与轴心线重合时的状态，它能保证螺旋桨置于平衡器上，在任何角度都能够自行静止。

动平衡：螺旋桨重心与其惯性中心重合时的状态，在旋转时不产生偏心力。

2·电机

电机主要使用无刷直流电机，其又分为内转子电机和外转子电机。外转子电机可以提供更大的力矩，用来驱动大螺旋桨。

·指标参数：

1、尺寸：

电机的尺寸取决于定子的大小，由一个四位数字表示。如2205（或22*05）电机，前两个数字代表定子直径，后两个代表定子高度。直径为22mm，高度为5mm。

2、标称空载KV值：

无刷直流电机的KV值是指在空载情况下，外加1V电压得到的电机转速值（转速单位：RPM ，转/分钟）

KV值小的电机可以产生更大的力矩，因此，大螺旋桨通常采用KV值小的电机；小型螺旋桨可以选择KV值大的电机。

3、标称空载电流和电压：

在空载（不安装螺旋桨）试验中，对电机施加空载电压（通常为10V）时测得的电机电流称为空载电流。

4、最大电流/功率：

最大峰值（瞬时）电流/功率：电机能承受的最大瞬时通过的电流/功率。

最大连续（持续）电流/功率：电机能允许的持续工作（规定时间）而不烧坏的最大连续电流/功率。如：25A/30s表示：电机在25A的电流下，最多工作30s。超过30s就可能会被烧坏。

5、内阻：

电机电枢本身存在内阻，虽然内阻很小，但是由于有时电机通过的电流很大甚至可以达到几十安培，所以，该内阻不可忽略。

6、电机效率：（评估电机性能的一个重要参数）

电功率（W）=电机输入电压（V）*电机电流（A）

电机效率=机械功率（W）/电功率（W）

7、总力效：

总力效（g/W）=螺旋桨拉力（g）/电功率（W）=螺旋桨力效*电机效率

3·电调（电子调速器，ESC）

·作用：

1、电调最基本的功能就是电机调速（飞控板将PWM波信号发送给电调，用来调控电机转速）

2、为遥控接收器上其他通道的舵机供电

3、充当换向器的角色（无刷直流电机没有电刷进行换相，需要电调进行电子换相，电调将直流电源转化成三相电源）

4、电调还有一些其他辅助功能，如：电池保护、启动保护、刹车等。

·指标参数：

1、最大持续/峰值电流：无刷电调的主要参数是电调的功率，通常以安数A来表示，如10A、20A、30A。不同电机需要配备不同安数的电调，安数不足会导致电调甚至电机被烧毁。

最大持续电流指的是在正常工作模式下的持续输出电流；峰值电流指的是电调能承受的最大瞬时电流。

2、电压范围：电调能够正常工作的所允许输入的电压范围也是非常重要的参数。一般在电调说明书上可以看到标注例如“3-4S LiPo”字样，表示这个电调适用于3到4节电芯串联的锂聚合物电池，也就是说它的电压范围为11.1V-14.8V。

3、内阻：电功率与电流平方成比例，所以电调的散热性能十分重要。因此，大规格电调内阻一般都比较小。

4、刷新频率：最初为航模设计的电调，采用50Hz刷新频率，由于多旋翼不适用舵机驱动，电机由电调直接驱动，响应速度很高，有些用于多旋翼的电调刷新频率高达500Hz。

5、可编程特性：

·可通过编程卡直接设置电调参数

·通过USB连接，用电脑软件设置电调参数

·通过接收器，用遥控器摇杆设置电调参数

6、兼容性：如果电机和电调兼容性不好，会发生堵转，即电机不能堵转。

·电调的驱动方式：方波驱动和正弦波驱动

·方波驱动：方波是数字信号，控制元件工作在开关状态。电路简单、容易控制、发热量小等优点。数字电路容易控制。正弦波属于模拟信号，模拟信号控制相当复杂，而且控制元件工作在放大状态，发热严重。

·正弦波驱动（矢量控制）：正弦波驱动是趋势。正弦波驱动在运行平稳性、调速范围、减震减噪方面优于方波驱动。目前可采用光电编码器、霍尔传感器或者基于观测器的方法测量转子角度。因为多旋翼电机始终工作在高转速状态下，可以基于观测器的方法进行矢量调制，节约成本。

4·电池

常见的有锂聚合物电池（LiPo）和镍氢电池（NiMh），小型飞行器专用的锂聚合物电池，单节电芯的标称电压为3.7V，满电可达4.2V，通常设定放电后的保护电压为3.6V，然而多旋翼所需电压可能达到十几或者几十伏，为了获得足够的电池电压和容量，厂商通常会将电芯串并联在一起，组成电池组。锂电池组通常包括两个部分：电池和锂电池保护线路。

 

电芯串联可以获得更大的电压，而容量保持不变；电芯并联可以获得更大容量，而电压保持不变。

电压不是常数：持续的放电会导致电压下降；电机内阻分压，在大电流时分压也大。

·指标参数：

1、电压：

单节电芯电压3.7V，3S1P表示3片锂聚合物电池的串联，电压是11.1V，其中：S是串联，P表示并联。又如2S2P表示2片锂聚合物电池的串联，然后两个这样的串联结构并联，总电压是7.4V，电流是单个电池的两倍。

2、容量：

电池的容量是用毫安时来表示的，比如：5000毫安时的电池表示该电池以5000毫安的电流放电可以持续一个小时。但是随着放电的持续进行，电池的放电能力在下降，其输出的电压在缓慢下降，所以导致其剩余容量与放电时间并非是线性关系。

实际工作中检测电池电压的两种方法：1）检测电池单节电压    2）实时检测电池输出电流做积分运算。

注意：单节电芯充满电电压为4.2V，放电完毕后会降低至3.0V（再低可能过放导致电池损坏），一般无人机在3.6V时会对电量进行报警。

3、放电倍率：

一般充放电电流的大小常用充放电倍率来表示，即充放电倍率=充放电电流/额定容量

例如：额定容量为100Ah的电池，用20A放电时，其放电倍率为0.2C。

电池放电倍率是表示放电快慢的一种量度，越大表明放电越快。所用的容量1小时放电完毕，称为1C放电；5小时放电完毕，称1/5=0.2C放电。容量5000毫安时的电池最大放电倍率为20C，其最大放电电流为100A。

·锂聚合物电池属于高倍率电池，可以给多旋翼提供动力。

·放电电流不能超过其最大电流限制，否则可能会烧坏电池。

4、内阻：

电池内阻不是常数，在充放电过程中随时间不断变化，不是线性关系，随电池密度的对数增大而线性增加。

电池内阻很小，一般用毫欧来定义，正常情况下，内阻小的电池放电能力强，内阻大的电池放电能力弱

5、能量密度：

能量密度是指在一定的空间或质量的物质中储存能量的大小。（锂离子电池能量密度高）

1.3指挥控制系统

1·遥控器和接收机

·作用：

1、遥控器发送飞控手的遥控指令到接收器上，接收机解码后传给飞控板。

2、遥控器可以进行一些飞行参数的设置。

3、高级功能有航模回传的电池电压电流数据等。

·指标参数：

1、频率：

常用的无线电频率是72MHz和2.4GHz，目前采用的最多的是2.4GHz遥控器。2.4GHz技术属于微波领域，有以下优点：频率高、同频率几率小、功耗低、体积小、反应迅速、控制精度高。2.4G直线性能好，避让障碍物性能差。

2、调制方式：

PCM，脉冲编码调制，又称脉码调制。为信号脉冲编码方式。优点：有很强的抗干扰性，很方便的计算机编程，不增加或少增加成本，实现各种智能化设计。

PPM，脉冲位置调制，又称脉位调制。为高频电路的调制方式。相比PCM编码，PPM比例遥控设备实现相对简单，成本较低，但易受干扰。

3、通道：

一个通道对应一个独立的动作，油门、偏航、俯仰、滚转控制至少需要4个通道。再加上云台等，一般为6通道或10通道。

4、控制模式：美国手和日本手

5、油门：

·直接式油门：油门杆不会自动回中，最低点为0油门，最高为100%油门，这种油门主要对应的是期望的推力大小

·增量式油门：松手后油门会自动回中。

6、遥控距离：

使用带有功率放大模块、功率鞭状天线可以增大遥控器的控制距离。

遥控器开源项目网站：

http://www.os-rc.com/

http://www.open-tx.org/               

http://www.reseau.org/arduinorc/

2·自动驾驶仪

·组成：分为硬件和软件

1、全球定位系统（GPS）接收器

2、惯性测量单元（IMU），包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、电子罗盘（或三轴磁力计），目的是得到多旋翼的姿态信息。（六轴IMU为三轴加速度计+三轴陀螺仪；九轴IMU为三轴加速度计+三轴陀螺仪+三轴磁力计；十轴IMU为九轴IMU的基础上加了气压计）

3、气压计和超声波测距模块，可以得到多旋翼的绝对或相对高度。

4、微型计算机（单片机），用于算法实现。

5、接口，用于传感器、电调、通讯设备等。

·作用：

1、感知：解决“多旋翼在哪”这个问题，得到准确的位置和姿态信息。

2、控制：解决“多旋翼怎么去”的问题，首先得到准确的位置和姿态，之后根据任务，通过算法设计出控制量，输出给电调，进而控制电机转速。

3、决策：解决“多旋翼去哪”这个问题。

开源自驾仪网址

自驾仪的硬件部分

3·地面站

地面站主要作为全自主飞控方式下的地面操控设备，由软硬件组成。

·作用：

1、地面站软件是地面站的重要组成部分

2、操作员通过地面站系统提供的鼠标、键盘、按钮和操控手柄等外设来与地面站软件进行交互

3、预先规划好本次任务的航迹，对多旋翼的飞行过程中飞行状况进行实时监控和修改任务设置以干预多旋翼飞行

4、任务完成后，还可以对任务的执行记录进行回放分析

开源地面站软件可以从开源自驾仪网站上下载

4·数传电台

数传电台是指借助DSP技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电台。采用数字信号处理、数字调制解调、具有前向纠错、均衡软判决等功能的无线数据传输电台。（保持自驾仪与地面站的双向通信）

·指标参数：

1、频率：可选择433MHz或915MHz。美洲地区用915，欧洲和中国用433，对915是禁用的。

2、传输距离

3、传输速率

·通讯协议：

MAVLink通讯协议是一个为微型飞行器设计的非常轻巧的、只由头文件构成的信息编组库。（由MAVLink开发出的软件可以私有）

除此之外，Openpilot自驾仪采用了UAVTalk协议与地面站进行通讯。