多旋翼飞行器设计与控制（二）:基本组成

一、前言

核心问题

（1）多旋翼组成结构

1. 机架
2. 动力系统
3. 控制系统
   （2）多旋翼组成复杂
4. 不同部件之间相互约束
5. 只有很少的组合可以保证多旋翼正常工作

二、总体介绍

多旋翼系统

内部布局

三、机架

机身

1. 作用：承载多旋翼所有设备的平台
2. 指标参数：重量、轴距（外圈电机组成圆圈的直径）、布局、材料（密度、强度、刚度、加工、价格）
   

起落架

1. 支撑多旋翼重力
2. 避免螺旋桨离地太近而发生触碰
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

涵道

作用

1. 保护桨叶和人身安全
2. 提高桨叶拉力效率
3. 减少噪音

参数
扩散段长度和螺旋桨直径是影响涵道性能的主要参数。

四、动力系统

概述

1. 组成：螺旋桨、电机、电调、电池
2. 作用：悬停时间、载重能力、飞行速度、飞行距离
3. 注意事项：动力系统的部件之间需要相互匹配与兼容，在某些极端情况下会突然失效导致事故发生，

螺旋桨

1. 作用：直接产生多旋翼运动所需的力与力矩的部件、合适的螺旋桨对提高多旋翼性能和效率有着直接的影响
2. 指标参数
   型号：
   一般由4个数字表示，前2位是螺旋桨的直径，后2位是螺旋桨的螺距（假设螺旋桨在一种不能流动的介质中旋转，那么螺旋桨每转一圈，就会向前进一个距离，就称为螺距或桨距）。
   弦长：
   一般选择螺旋桨2/3处的弦长，作为螺旋桨的标称弦长
   
   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。
   桨叶数：
   
   安全转速：
   多旋翼的螺旋桨通常具有一定柔性，当转速超过一定值时，螺旋桨可能会发生形变，导致效率降低。
   螺旋桨的力效：
   机械功率（W）= 输出力矩（N*M) X 螺旋桨转速（rad/s)
   力效（g/W) = 拉力(g) / 机械功率（W）
   
3. 静平衡和动平衡
   目的：进行静平衡和动平衡的目的是减少振动。
   定义：螺旋桨的静平衡是指螺旋桨重心与轴心线重合时的平衡状态，而螺旋桨的动平衡是指螺旋桨重心与其惯性中心重合时的平衡状态。
   方法：选用优质螺旋桨、通过贴透明胶带到轻侧的桨叶，用砂纸打磨偏重桨叶

电机

1. 主要分类：由于无刷直流电机具有多种优势，比如效率高、便于小型化以及制造成本低，所以动力系统电机主要以无刷直流电机为主，根据转子的位置，无刷直流电机可以进一步分为外转子电机和内转子电机。
   
2. 指标参数
   尺寸：
   电机的尺寸取决于定子的大小，由一个四位数字来表示，前两个数字表示定子直径(mm)，后两个数字表示定子高度(mm)。
   标称空载KV值：
   无刷直流电机的KV值指的是空载情况下外加1V电压得到的电机转速值(转速单位:RPM)， KV值小的电机可以产生更大的力矩，因此大螺旋桨可以选用KV值较小的电机，而小型螺旋桨可以选用KV值较大的电机。
   标称空载电流电压：
   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）时测得的电机电流被称为空载电流。
   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：电机能允许持续工作（规定时间）而不烧坏的最大连续电流/功率
   内阻：
   电机电枢本身存在内阻，虽然该内阻很小，但是由于电机电流很大有时甚至可以达到几十安培，所以该小电阻不可忽略
   电机效率：
   电机效率是评估性能的一个重要参数
   电功率（W） = 电机输入电压（V）X 电机电流（A）
   电机效率 = 机械功率（W）/ 电功率（W）
   
   总力效：
   总力效（g/W） = 螺旋桨拉力（g）/ 电功率（W） = 螺旋桨力效 X 电机效率

电调

1. 作用：电调最基本的功能就是电机调速、为遥控接收器上其他通道的舵机供电、充当换相器的角色、其他辅助功能（电池保护、启动保护、刹车）
2. 指标参数：
   最大持续/峰值电流：
   最大持续电流指的是在正常工作模式下的持续输出电流。
   峰值电流知道是电调能承受的最大瞬时电流。
   电压范围：
   电压范围指正常工作所允许输入的电压范围，一般在电调说明书上可以看到标注例如“3-4SLiPo”字样，表示这个电调适用于3到4节电芯串联的锂聚合物，也就是说电压范围为11.1V-14.8V。
   内阻：
   大规格电调内阻一般都比较小
   刷新频率：
   多旋翼不使用舵机，而是由电调直接驱动，其响应速度远超舵机。目前，有些电调可支持高达500Hz的刷新频率
   可编程特性：
   可以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
   兼容性:
   如果电机和电调兼容性不好，那么会发生堵转，电机无法转动，在飞行过程中十分危险。
3. 方波驱动和正弦波驱动：
   方波驱动：
   电路简单、容易控制、发热小等，数字电路容易控制。
   正弦波驱动：
   正弦波驱动是趋势(矢量控制，Field Oriented Control)
   正弦波驱动在平稳性调速范围，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。

电池

1. 作用：主要用于提供能量，常见的有锂聚合物电池(LiPo)和镍氢电池(NiMh)，对于多旋翼而言，电池单位重量的能量载荷，很大程度限制了其飞行时间和任务的拓展
2. 指标参数：
   电压：
   锂电池组包含两个部分：电池和锂电池保护线路
   电芯串联可以得到更大的电压的电池，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。
   容量：
   电池的容量是用毫安时来表示的。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。
   可以通过两种方式检测电池当前的容量，一种方式是检测电池单节电压，另一种方式是实时检测电池输出电流做积分计算。注意：单电芯充满电电压为4.2V，放电完毕会降至3.0V（再低可能过放导致电池损坏），一般无人机在3.6V时会电量报警。
   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。电池放电倍率是表示放电快慢的一种量度，越大表示放电越快。
   锂聚合物电池一般属于高倍率电池，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，否则可能烧坏电池。
   内阻：
   电池的内阻不是常数，在充放电过程中随时间不断变化，不是线性关系。
   电池的内阻很小，我们一般用毫欧的单位来定义它。
   能量密度：
   能量密度指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小。

五、指挥控制系统

遥控器和接收器

1. 作用
   遥控器发送飞控手的遥控指令到接收器上，接收器解码后传给飞控制板，进而多旋翼根据指令做出各种飞行动作、遥控器可以进行一些飞行参数的设置、高级功能有航模回传的电池电压电流数据等等。
   
2. 指标参数
   频率：
   常用的无线电频率是72MHz与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，有如下几个优点：频率高、同频几率小、功耗低、体积小、反应迅速、控制精度高。
   2.4GHz微波的直线性很好，但同时，控制信号的避让障碍物的性能就差了。
   调制方式：
   PCM(Pulse Code Modulation)，脉冲编码调制，又称脉码调制。
   PPM(Pulse position modulation)，脉冲位置调制，又称脉位调制，
   PCM编码的优点：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。
   相比PCM编码，PPM比例遥控设备实现相对简单，成本较低，但比较容易受到干扰。
   通道：
   一个通道对应一个独立的动作，油门、偏航，俯仰、滚转控制至少需要四个通道，再加上云台等控制，一般遥控器有六通道、十通道等。
   控制模式：
   
   油门：
   直接式油门：油门杆不会自动回中，最低点为0油门，最高点为100%油门，这种油门主要对应的是期望的推力的大小，称为直接式油门。
   增量式油门：松开手后，油门杆会自动回中，称为增量式油门。
   遥控距离：
   根据功率的不同，遥控器控制的距离也不同，遥控器上也可以使用带有功率放大模块，带有鞭状天线可以以增大遥控的距离。

自动驾驶仪

1. 组成：
   全球定位系统（GPS）接收器。
   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。
   气压计和超声波测距模块，目的是得到多旋翼的绝对或者相对高度。
   微型计算机， 目的是用于算法实现以及一些接口，用于各种传感器、电调、通讯设备等。
2. 作用：
   感知：导航就是解决“多旋翼在哪”的问题。
   控制：控制就是要解决“多旋翼怎么去”的问题。
   决策：决策就是要解决“多旋翼去哪”的问题。

地面站

1. 作用：
   地面站软件是多旋翼地面站的重要组成部分。
   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。
   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。
   任务完成后还可以对任务的执行记录进行回放分析。

数传

1. 作用：
   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。
2. 指标：
   频率：
   可选择433MHz或915MHZ。美洲地区可以使用915MHz，欧洲和中国等一般使用433MHz，对915MHz频段是禁用的
   传输距离
   传输速率
   通讯协议：
   通信协议又称通信规程，是指通信双方对数据传送控制的一种约定。
   MAVLink通讯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。
   Openpilot自驾仪采用来UAVTalk协议与地面站进行通讯。