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
![多旋翼飞行器设计与控制·基本组成(笔记002)_第1张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/0193e2c6b8ce4c8890ef2ac05fa1a515.jpg)
一、总体介绍
二、机架
机身----------
![多旋翼飞行器设计与控制·基本组成(笔记002)_第2张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/245ead987e744d6dab33315e163800bc.jpg)
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。
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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。
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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。
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布局:
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材料 (参考http://aeroquad.com/showwiki.php?title=Frame-Materials)
起落架----------
![多旋翼飞行器设计与控制·基本组成(笔记002)_第5张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/ae6ff65b15b84fe5a1ddc773a504b018.jpg)
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支撑多旋翼重力
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避免螺旋桨离地太近,而发生触碰
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减弱起飞时的地效
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消耗和吸收多旋翼在着陆时的撞击能量
涵道----------
![多旋翼飞行器设计与控制·基本组成(笔记002)_第6张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/be1a819a286e47f49cc598f917b29b54.jpg)
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。
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保护桨叶和人身安全
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提高桨叶拉力效率
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减少噪音
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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
![多旋翼飞行器设计与控制·基本组成(笔记002)_第7张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/0986242b5e4842508f947e1fd95f5e32.jpg)
![多旋翼飞行器设计与控制·基本组成(笔记002)_第8张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/cee09f66b8a043ceb5ebb2369e2ba47b.jpg)
- 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: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
- 安全转速
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螺旋桨力效:
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进行静平衡和动平衡的目的是减少振动
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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
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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
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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
![多旋翼飞行器设计与控制·基本组成(笔记002)_第10张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/a9f8fd54a94e473e972f54165b366894.jpg)
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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。
- 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
- 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。
- 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,所以该小内阻不可忽略
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电机效率 : 电机效率是评估性能的一个重要参数
- 总力效:
![多旋翼飞行器设计与控制·基本组成(笔记002)_第12张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/e687d52dbc504e30acd1bb8b45f4a546.jpg)
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
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 :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。
- 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。
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。
![多旋翼飞行器设计与控制·基本组成(笔记002)_第14张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/62ae0e545e4a447b92a5e85f7fc4b9c9.jpg)
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
![多旋翼飞行器设计与控制·基本组成(笔记002)_第15张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/134d1ad5f06840d986e99b40e668e93d.jpg)
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
![多旋翼飞行器设计与控制·基本组成(笔记002)_第16张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/30c52ac16a2d44b18022a95b547476e2.jpg)
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。
![多旋翼飞行器设计与控制·基本组成(笔记002)_第17张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/5ceb5895b6654c1fbdf31bc60fc40922.jpg)
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
• 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。
![多旋翼飞行器设计与控制·基本组成(笔记002)_第18张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/1ebe17945ad94d9692dc80de0da35544.jpg)