多旋翼飞行器设计与控制·基本组成（笔记002）

目录

一、总体介绍

二、机架

机身----------

参数指标：

起落架----------

作用：

涵道----------

作用：

参数

三、动力系统

螺旋桨----------

螺旋桨的指标参数：

静平衡和动平衡：

电机----------

电机的指标参数：

电调----------

电调的指标参数

方波驱动 V.S. 正弦波驱动

电池----------

电池的指标参数

四、指挥与控制系统

遥控器和接收器----------

指标参数

自动控制仪----------

地面站----------

数传----------

数传的指标

数传的通讯协议

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一、总体介绍

二、机架

机身----------

机身是承载多旋翼所有设备的平台。多旋翼的安 全性、可用性以及续航性能都和机身的布局密切 相关。

因此在设计多旋翼时，其机身的尺寸、布 局、材料、强度和重量等因素都是应该考虑的。

 

• 参数指标：

1. 重量：机身的重量主要取决于其尺寸和材料。由于在相同拉力下，机身越轻意味着可分配的有效载荷越大，因此在保证机身性能的前提下，重量应尽量小。
2. 轴距 （ Diagonal Size）： 轴距是用来衡量多旋翼尺寸的重要参数，它通常被定义为外圈电机组成圆周的直径。
3. 布局：
4. 材料 （参考http://aeroquad.com/showwiki.php?title=Frame-Materials）

起落架----------

• 作用：

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----------

伯努利原理： 在一个流体 系统，流速 越快，流体 产生的压力 就越小。

工作原理为：当螺旋桨工作时，进 风口内壁空气速度快静压小，而进风口 外壁静压大，因此涵道能产生附加拉力 。

注：尽管涵道可以提升效率增加悬停 时间，但增加涵道的同时也会增加多 旋翼机的重量从而使悬停时间缩短， 因此最终的优化设计需要权衡与折中。

• 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

1. 扩散段长度和螺旋桨直径是影响涵道性能的主要参数，关于设计可参考

   Hrishikeshavan V, Black J, Chopra I. Design and performance of a quad-shrouded rotor micro air vehicle. Journal of Aircraft, 2014, 51(3): 779-791

三、动力系统

• 动力系统通常包括螺旋桨、电机、电调以及电池
• 动力系统决定了多旋翼的主要性能，例如悬停时间、载重能力、飞行速度和飞行距离等等
• 动力系统的部件之间需要相互匹配与兼容，否则很可能无法正常工作，甚至在某些极端情况下突然失效导致事故发生

螺旋桨----------

考虑到电机效率会随螺旋桨尺寸变化而变化， 所以合理匹配的螺旋桨可以使电机工作在更 高效的状态，从而保证在产生相同拉力情况 下消耗更少的能量，进而提高续航时间。

 

1 ）螺旋桨是直接产生多旋翼运动所需的力与力矩的部件

2 ）合适的螺旋桨对提高多旋翼性能和效率有着直接的影响

• 螺旋桨的指标参数：

1. 
2. 
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。
4. 桨叶数：有实验表明，二叶桨的力效会比三叶桨稍高一些，最大拉力相同的前提下，二叶桨直径要比三叶桨直径大
5. 安全转速
6. 螺旋桨力效：

• 静平衡和动平衡：

1. 进行静平衡和动平衡的目的是减少振动
2. 螺旋桨静平衡是指螺旋桨重心与轴心线重 合时的平衡状态
3. 螺旋桨动平衡是指螺 旋桨重心与其惯性中心重合时的平衡状态
4. 出现不平衡的情况时，可以通过贴透明胶 带到轻的桨叶，或用砂纸打磨偏重的螺旋 桨平面（非边缘）来实现平衡

电机----------

多旋翼的电机主要以无刷直流电机为主，将电能转换成机械能

• 电机的指标参数：

1. 电机的尺寸取决于定子的大小，由一个四位数字来表示。 例如 2212 （或写 成 22 × 12 ）电机， 前两个数字代表定子直径（单位mm），后两个数字代表定子高度（单位mm），因此2212电机表示电机定子直径是22mm，定子高度为12mm。
2. 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（单位：RPM）。 大型螺旋桨可以选用KV值较小的电机，而小型螺旋桨可以选用KV值较大的电机
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）时测得的电机电流被称为空载电流。
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：电机能允许持续工作（规定时间）而不烧坏的最 大连续电流 / 功率
5. 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，所以该小内阻不可忽略
6. 电机效率 ： 电机效率是评估性能的一个重要参数
   
7. 总力效：
    

电调----------

电调全称电子调速器，英文 Electronic Speed Control，简称ESC。

1 ）电调最基本的功能就是电机调速

2 ）为遥控接收器上其它通道的舵机供电

3 ）充当换相器的角色

4 ）电调还有一些其它辅助功能

• 电调的指标参数

1）最大持续/峰值电流

无刷电调最主要的参数是电调的功率，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.动力系统

3）内阻

电调具有相应内阻，其发热功率需要得到注意。有些电调电流可以达到几十安培，发热功率是电流的平方的函数，所以电调的散热性能也

十分重要，因此大规格电调内阻一般都比较小。

4）刷新频率

电机的响应速度与电调的刷新速率有很大关系。在多旋翼开始发展 之前，电调多为航模飞机而设计，航模飞机上的舵机由于结构复杂，工 作频率最大为50Hz。相应地，电调的刷新速率也都为50Hz。多旋翼与其它类型飞机不同，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，具备UltraPWM功能的电调可支持高达500Hz的刷新率。

5) 可编程特性

通过内部参数设置，可以达到最佳的电调性能。通常有三种方式可对电调参数进行设置：

• 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

6）兼容性

如果电机和电调兼容性不好，那么会发 生堵转，即电机不能转动了

• 方波驱动 V.S. 正弦波驱动

1. 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小等 优点。
2. 正弦波驱动（矢量控制，Field Oriented Control） ：正弦驱动在运行平稳性、调速范围、减振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。

电池----------

电池主要用于提供能量。目前航模最大的问题在于续航时间不够，其关 键就在于电池容量的大小。现在可用来做航模动力的电池种类很多，常见的 有锂聚合物电池（ LiPo ）和镍氢电池（ NiMh ），主要源于其优良的性能和便 宜的价格优势。

航模专用锂聚合物电池（ LiPo 电池）单节电 芯的标称电压是 3.7V ，充满电可达 4.2V ，通 常设定放电后的保护电压为 3.6V 左右。

• 电池的指标参数

1 ）电压

• 锂电池组包含两部分：电池和锂电池保护线路。
• 单节电压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电池表示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，容量是单个电池的两倍。
• 不仅在放电过程中电压会下降，而且由于电池本身具有内阻，其放电电流 越大，自身由于内阻导致的压降就越大，所以输出的电压就越小。

2 ）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小时。但是，随着放电过程的进行，电池的放电能力在下降，其输出电压会缓慢下降，所以导致其剩余电量与放电时间并 非是线性关系。
• 在实际多旋翼飞行过程中，有两种方式检测电池的剩余容量是否满足飞行安全的要求。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)，一般无人机在低于3.6V之前会电量报警

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，则称为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

4 ）内阻

• 欧姆内阻主要是指由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成，与电池的尺寸、结构、装配等有关
• 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。常随着电池状态和使用寿命变化而变化
• 电池的内阻很小，我们一般用毫欧的单位来定义它。正常情况下，内阻小的电池的大电流放电能力强，内阻大的电池放电能力弱。

5 ）能量密度

能量密度指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小

 

注意：这个能量和容量是不同的，容量带有时间额参数！！！

四、指挥与控制系统

遥控器和接收器----------

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

例如：油门的正反，摇杆灵敏度大小，舵机的中立位置调整，通道的功 能定义，飞机时间记录与提醒，拨杆功能设定。高级功能有航模回传的电池 电压电流数据等等。

• 指标参数

1）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。

• 2.4G微波的直线性很好，换句话说，控制信号的避让障碍物的性能就差了。控制模型过程中，发射天线应与接收天线有效的形成直线，尽量避免遥控模型与发射机之间有很大的障碍物（如房屋及仓库等）

2）调制方式

• PCM是英文Pulse Code Modulation的缩写，中文的意思是：脉冲编码调制，又称脉码调制。PPM是英文Pulse Position Modulation的缩写，中文意思是：脉冲位置调制，又称脉位调制，前者指的是信号脉冲的编码方式，后者指的是高频电路的调制方式。

• PCM编码的优点不仅在于其很强的抗干扰性，而且可以很方便的利用计算机编程，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，但较容易受干扰。

3）通道

一个通道对应一个独立的动作，一般有六通道、十通道等。多旋翼在控制过程中需要控制的动作路数有：油门、偏航、俯仰、滚转，所以至少得四个通道遥控器。

4）控制模式 -- 美国手和日本手

美国手和日本手就是遥控杆对应的控制通道的设置不同。美国左手操作杆是“油门+偏航”，右手为“俯仰+滚转”。日本手则是左手“俯仰+偏航”，右手 “油门+滚转”。目前，国内多旋翼操控以美国手遥控器为主。

5）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, 称直接式油门。

• 还有一种油门是松手油门自动回中，属于增量式油门。

6）遥控距离

根据功率不同，遥控器控制的距离也有所不同。遥控器上也可以用带有功率放大（Power Amplifier，PA）模块，带有鞭状天线，可以增

大操控距离

自动控制仪----------

多旋翼自动驾驶仪，分为软件部分和硬件部分。包括：

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 磁力计），目的是得到多旋翼的姿态信息

3 ）气压计和超声波测距模块

4 ）微型计算机

5 ）接口

px4可以看作四stm32改造而来的！

1）感知。导航就是解决“多旋翼在哪”的问题。如何发挥各自传感器优势，得到准确的位置和姿态信息，是自驾仪飞控要做的首要的事情。对应第七、八、九讲

2）控制。控制就是解决“多旋翼怎么去” 的问题。首先得到准确的位置和姿态信息，之后根据任务，通过算法计算出控制量，输出给电调，进而控制电机转速。对应第十、十一、十二讲

3）决策。决策就是解决“多旋翼去哪儿” 的问题。去哪儿可能是操作手决定的，也可能是为了安全，按照规定流程的紧急处理方案。对应第十三、十四讲

地面站----------

• 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----------

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。数传电台一端接入计算 机（地面站软件），一端接入多旋翼自 驾仪，通讯采用一定协议进行，从而保 持自驾仪与地面站的 双向 通讯。

• 数传的指标

1 ）频率。可选择： 433MHz 或 915MHz 。美洲地区可用 915 MHz ，欧洲和 中国等一般用 433 MHz ，对 915 MHz 频段是禁用的。

2 ）传输距离

3 ）传输速率

• 数传的通讯协议

• 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。只要 按照一定的通讯协议，可以使得地面站软件通用起来，可以兼容不同的自 驾仪。

• 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。

MAVLink 最初由劳伦兹 · 迈耶根据 LGPL （ Lesser General Public License） 许可在 2009 年初发表。

Openpilot 自驾仪采用了 UAVTalk 协 议与地面站进行通讯。