多旋翼飞控底层算法开发系列实验 | 多旋翼动力系统设计实验1

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多旋翼动力系统简介

多旋翼无人机的动力系统通常包括螺旋桨、电机、电调以及电池。动力系统是多旋翼最重要的组成部分，它决定了多旋翼的主要性能，如悬停时间、载重能力、飞行速度和飞行距离等。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，甚至可能在某些极端情况下突然失效导致事故发生。例如在某些条件下，飞控手的一个过激操作可能会让电调电流超过其安全阈值而使电机停转，这在飞行过程中是非常危险的。下面分别介绍螺旋桨、电机、电调以及电池。

 

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主要部件介绍

螺旋桨：螺旋桨是直接产生多旋翼运动所需的力与力矩的部件。

 

电机：由于无刷直流电机具有多种优势，例如效率高、便于小型化以及制造成本低等，多旋翼选用的电机以无刷直流电机为主。无刷电机的主要作用是将电池存储的电能转化为驱动桨叶旋转的机械能。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。外转子电机与内转子电机相比可以提供更大的力矩，因此更容易驱动大螺旋桨而获得更高效率。除此之外，外转子电机的速度也更稳定，因此更适用于多旋翼和其他飞行器。

电调：电调的基本功能是根据接收自驾仪传输的PWM 信号来控制电机转速。由于自驾仪输出的PWM 信号非常微弱无法直接驱动无刷直流电机，因此需要电调对信号进行处理和放大，从而能够驱动电机。此外，一些电调还可以作为制动器，或者稳压电源（免电池电路模块）给遥控器接收机和舵机供电。与一般的电调不同的是，无刷电调可以充当一个换相器，把多旋翼上的直流电源转化为可以供给无刷直流电机使用的三相电源。当然它还有一些其他功能，例如电池保护和启动保护等。

 

 

电池：电池主要用于提供能量。

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旋翼和机架半径

多旋翼的尺寸与机臂数和桨叶尺寸密切相关。若机臂夹角用来表示，Y6型三轴六旋翼的=120°；常规四旋翼的=90°；常规六旋翼的=60°。设机臂数量为n则有= 360°/n，此时机架半径R 与旋翼最大半径存在如下关系：

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基于飞行评估网站的多旋翼

动力系统设置及使用

已知：在海拔0m， 温度25 ◦C， 用网站适配出飞行时间大于10 分钟的三旋翼、三轴六旋翼、四旋翼、六旋翼、四轴八旋翼和八旋翼各一架；并且依据多旋翼飞行评估网站https://flyeval.com/paper/，分别列出该飞行器的所有飞行参数及基本飞行性能参数。

求解：①配置一个三旋翼，“整机重量”设置为1.0 kg，“机架轴距”设置为450mm，“飞行海拔”设置为0m，“空气温度”设置为25 ◦C，“外形气动”选择默认值“一般”。第二行参数设置为默认值——“电池放电下限”（电池的剩余容量，防止电池过度放电）设置为15%，“安全起飞油门上限”（确保为多旋翼飞行的基本高度控制提供足够的推力的电池容量）设置为85%，“飞控最大倾角”设置为“无限制”，“飞控& 附件电流”设置为0.5A。

②设置“电机品牌”设置为“DJI(大疆)”，其型号为“2212*KV920”；“螺旋桨品牌”设置为“DJI CFP10*3.8”(它代表的含义是直径Dp = 10 英寸，螺距Hp = 3:8 英寸，桨叶数Bp = 2)；“电调品牌”设置为“Common max 30A”(它代表的含义是最大电流为IeMax =30A，并且是市场中常用的电调)；同时“电池品牌”设置为“Common 1S-3.7V-25/35C-3000mAh3S1P”。被选择的电池的详细参数如下：总电压Ub 为1 S  3 = 3 S = 3 3:7V = 11:1V，电池容量为Cb =3000mAh，最大放电倍率为Kb =25C，这样意味着最大放电电流为Kb Cb t 75A。其它参数包括每个组件的重量和电阻，都和多旋翼评估网站https://flyeval.com/paper/的默认值一样。

③点击“计算！”按键，即可得到飞行器的飞行参数和性能。如图5.18所示，在“悬停性能”那一栏，得到的“悬停时间”为14.7min，“油门百分比”为54.2%；在“最大油门性能”那一栏，得到的“总升力”为26N，“电机输出功率”为134.4W。

按照上述方式以此类推，即可计算出三轴六旋翼、四旋翼、六旋翼、四轴八旋翼和八旋翼的动力系统。