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2

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01/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。

02/基于飞行评估网站的多旋翼动力系统分析

已知：给定一架四旋翼，其总重量为1:5 kg 9:8 m/s2 = 14:7N（包括负载），飞行地点海拔为50m，当地温度25 ◦C；动力系统参数如下图：

选择一架飞行器，分别列出北京、上海、拉萨和长沙等城市，温度分别为0°C，10°C，20°C，30°C，40°C 的悬停时间；分析海拔、温度对悬停时间的影响。

求解：①. 选择测试四旋翼的基本配置参数如图5.33所示。“整机重量”设置为1.5 kg，“机架轴距”设置为450mm，“飞行海拔”设置为4m。“电机品牌”设置为“DJI 2212 KV920”；“螺旋桨品牌”选择型号“DJI Turnigy slow fly 9.4_5”；“电调品牌”选择“Common max 30A”；“电池品牌”同样选择“Common 1S-3.7V-20/30C-5000mAh 3S1P”, 其它参数包括每个组件的重量和电阻保持和飞行评估网站的默认值一致。

接下来，其它的配置保持不变，只修改“飞行海拔”的值，得到在不同悬停高度的悬停时间表格。如下表所示。

可以得出结论：海拔越高，悬停时间越短。因为当海拔越高时，空气密度越小。在提供同样大小拉力时，空气密度越小，转速越大。而力矩不变时，转速越大，等效电流和电压越大。进而，电调输入电流也会越大，电池放电电流也会增大。因此，电池容量一定时，电池电流越大悬停时间越短。网站给出的结果与理论分析相符。

②. 选择测试四旋翼的基本配置参数如下图所示。“整机重量”设置为1.5 kg，“机架轴距”设置为450mm，“飞行海拔”设置为43.5m，“电机品牌”设置为“DJI 2212 KV920”，“螺旋桨品牌”选择型号“DJI Turnigy slow fly 9.45”，“电调品牌”选择“Common max 30A”，“电池品牌”同样选择“Common 1S-3.7V-20/30C-5000mAh 3S1P”，其它参数包括每个组件的重量和电阻保持和飞行评估网站的默认值一致。

接下来，其它的配置保持不变，只修改“空气温度”的数值，得到在不同空气温度的悬停时间表格。如下表所示：

可以得出结论：温度越高悬停时间越短，因为空气密度随温度升高而减小。结合上述海拔对悬停时间的影响可知，空气密度越低，悬停时间越短。因此，温度越高悬停时间越短，理论分析与网站计算相符。

③. 选择测试四旋翼的基本配置参数如下图所示。“整机重量”设置为1.5 kg，“机架轴距”设置为550mm，“飞行海拔”设置为43.5m，“电机品牌”设置为“DJI 2212 KV920”，“螺旋桨品牌”选择型号“DJI CFP 8*4.5”，“电调品牌”选择“Common max 30A”，“电池品牌”同样选择“Common1S-3.7V-20/30C-5000mAh 3S1P”，其它参数包括每个组件的重量和电阻保持和飞行评估网站的默认值一致。

改变后机型得到如下表所示，由表可以得出结论：旋翼的个数相同，采用共轴双桨方式悬停时间更短，如四轴八旋翼要比八旋翼悬停时间更短，然而采用共轴的方式能够减小飞行器的尺寸。同是四轴的八旋翼要比四旋翼的悬停时间长。一般来说，总重量相同时，旋翼个数越多，悬停时间越长。