1、1前言 多旋翼的系 统组 成多旋翼无人机系 统 只要有 飞 机主体， 动 力系 统 ，控制系 统 ，以及根据任 务 所需搭 载 的一些 设备组 成。搭 载 的 设备 一般有云台（含相机），药 箱（含 喷 洒系 统 ），激光雷达，架 设设备 等。 下 图为 其系 统 构成 简图 。 按以下 图 片所含系 统 逐一 讲 解各部分。2一1.1飞 机主体多旋翼 飞 行器 简 介多旋翼 飞 行器，其包括有机体及多个安装在机体上的、在同一水平面上的旋翼 组 成。旋翼的个数 N 为 偶数，如 N 2， 4， 6， 8 等，是由几何尺寸和数量都相等的正反旋翼 组 成。所有的旋翼呈 360/N 度 夹 角均布机
2、体的周 边 ，正旋翼与反旋翼交替布置，旋向相反，升力向上。每个旋翼既可以由 电 机或油机直接 驱动 ，也可以通 过 同步 带 等运 动传递 装置从机体上 别 的部位 驱动 。 该 多旋翼 飞 行器的多个旋翼之 间 的扭力矩可相互抵消，不需要尾翼或尾 桨 等平衡装置， 结 构 紧 凑，运 动 灵活。多旋翼 飞 行器既可垂直起降，空中 悬 停，也能原地旋 转 或平 飞 。最 简单 的多旋翼 飞 行器即 为 四旋翼 飞 行器。一般旋翼的个数一般就 为 4， 6， 8， 18， 18 轴为 6 轴 的延伸。 一般没有超 过 8 轴 的旋翼，因 为 旋翼按 360/N 度 夹 角均布机体的周 边 ，如果
3、旋翼个数 过 多，机臂之 间 的 夹 角 过 小， 导 致其装 载 的 桨 叶旋 转 之后会 发 生碰撞。1.2 多旋翼 飞 行器工作原理多旋翼 飞 行器通 过调节 相 应 的 N 个 电 机 转 速来改 变 旋翼 转 速， 实现 升力的 变 化，从而控制 飞 行器的姿 态 和位置。四旋翼 飞 行器是一种最 简单 的旋翼 飞 行器，下面以四旋翼 为 例介 绍 其基本的工作原理。34四旋翼 飞 行器的 电 机 1 和 电 机 3 逆 时针 旋 转 的同 时 ， 电 机 2 和 电 机 4 顺时针 旋 转 ，因此当 飞 行器平衡 飞 行 时 ，陀螺效 应 和空气 动 力扭矩效 应 均被抵消。在上
4、图 中， 电 机 1 和 电 机 3 作逆 时针 旋 转 ， 电 机 2 和 电 机 4 作 顺时针 旋 转 ， 规 定沿 x 轴 正方向运 动 称 为 向前运 动 ，沿 y轴轴 正方向运 动为 向左运 动 ，沿 z 轴 正方向运 动为 向上运 动 。箭 头 在旋翼的运 动 平面上方表示此 电 机 转 速提高，在下方表示此 电 机 转速下降。（ a）垂直运 动 ：同 时 增加四个 电 机的 输 出功率，旋翼 转 速增加使得 总 的拉力增大，当 总 拉力足以克服整机的重量 时 ，四旋翼 飞 行器便离地垂直上升；反之，同 时 减小四个 电 机的 输 出功率，四旋翼 飞 行器 则 垂直下降，直至平衡
5、落地， 实现 了沿 z 轴 的垂直运 动 。当外界 扰动 量 为 零 时 ，在旋翼 产 生的升力等于 飞 行器的自重 时 ， 飞 行器便保持 悬 停状 态 。（ b）俯仰运 动 ：在 图 （ b）中， 电 机 1 的 转 速上升， 电 机 3 的 转 速下降（改 变 量大小 应 相等）， 电 机 2、 电 机 4 的 转 速保持不 变 。由于旋翼 1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降， 产 生的不平衡力矩使机身 倾 斜， 产 生水平向后的分力，此 时飞 行器向后 飞 行。表 现为同理，当 电 机 1 的 转 速下降， 电 机 3 的 转 速上升， 产 生的不平衡力矩使机身 倾 斜， 产 生水平
6、向前的分力，此 时飞 行器向前 飞 行。（ c） 滚转 运 动 ：与 图 b 的原理相同，在 图 c 中，改 变电 机 2 和 电 机 4 的 转 速，保持 电 机 1 和 电 机 3 的 转 速不 变 ， 电 机 2 转 速加大，升力 变 大， 电 机 4 转 速 变 小，升力亦 变 小，使机身沿 X 轴 旋 转 ，向左 倾 斜， 产 生水平向左的分力，使 飞 行器水平向左 飞 行。表 现为 同理，当 电 机 2 转 速减小， 电 机 4 转 速加大，会使机身向右 倾 斜， 产 生水平向右的分力，使 飞 行器水平向右 飞 行。（ d）偏航运 动 ：旋翼 转动过 程中由于空气阻力作用会形成与
7、转动 方向相反的反扭矩， 为 了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转 ，两个反 转 ，且 对 角 线 上的各个旋翼 转动 方向相同。反扭矩的大小与旋翼 转 速有关，当四个 电 机 转 速相同 时 ，四个旋翼 产 生的反扭矩相互平衡，四旋翼 飞 行器不 发 生 转动 ；当四个 电 机 转 速不完全相同 时 ，不平衡的反扭矩会引起四旋翼 飞 行器 转动 。在 图 d 中，当 电机 1 和 电 机 3 的 转 速上升， 电 机 2 和 电 机 4 的 转 速下降 时 ，旋翼 1 和旋翼 3 对 机身的反扭矩大于旋翼 2 和旋翼 4 对 机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下 绕 z 轴转动 ，
8、 实现飞 行器的偏航运 动 ， 转 向与 电 机 1、 电 机 3 的 转 向相反。51.3 多旋翼的机架 设计 要求保 证 其机械 强 度，使 飞 机在 飞 行 时 不会因 为 承重件的 强 度不 够产 生震 动 ，脚架要求其 强 度足以支撑 飞 行器设计 的最大起 飞 重量。二 动 力系 统飞 行器要想克服重力起 飞 离开地面，必 须产 生足 够 的升力来做功。其能量来源于其 动 力系 统 。 动 力系 统 包含 产 生 电 机， 电调 ， 电 池（充电 器），螺旋 桨 。飞 行器的升力来源于 电 机上安装的 带 有与水平面仰角的 桨 叶高速旋 转时产 生的 桨 叶上下表面 压 力差。2.
9、1 电 机的 简 介电 机的种 类 多种多 样 ，本文主要介 绍 多旋翼 飞 行器上的 专 用 电 机。此 电 机主要是无刷直流外 转 子流 盘 式 电 机。 现 在的航模以及无人机上几乎都使用无刷 电 机。 无刷直流 电 机基本概念6无刷直流 电 机是随着半 导 体 电 子技 术发 展而出 现 的新型机 电 一体化 电 机，它是 现 代 电 子技 术 （包括 电 子 电 力、微 电 子技 术 ）、控制理论 和 电 机技 术 相 结 合的 产 物。和普通的有刷直流 电 机利用 电 枢 绕组 旋 转换 向不同，无刷 电 机是利用 电 子 换 向并磁 钢 旋 转 的 电 机。普通的直流 电 机是利
10、用碳刷 进 行 换向的，碳刷 换 向存在很大的缺点，主要包括 1、机械 换 向 产 生的火花引起 换 向器和 电 刷摩擦、 电 磁干 扰 、噪声大、寿命短。 2、 结 构复杂 、可靠性差、故障多，需要 经 常 维护 。 3、由于 换 向器存在，限制了 转 子 惯 量的 进 一步下降，影响了 动态 性能。而无刷直流 电 机的命名就 说 明了 电 机的特性：在 电 机性能上和直流 电 机性能相近，同 时电 机没有碳刷。无刷 电 机是通 过电 子 换 向达到电 机 连续 运 转 目的的。无刷 电 机的 换 向模式分 为 方波和正弦波 驱动 ，就其位置 传 感器和控制 电 路来 说 ，方波 驱动 相
11、对简单 、价廉而得到广泛利用。目前， 绝大多数无刷 电 机采用方波 驱动 ，目无刷 电 机的技 术优势 及劣 势 无刷 电 机的技 术优势 ：1、 良好的可控性、 宽调 速范 围 。2、 较 高的可靠性、工作寿命 长 、无需 经 常 维护 。3、功率因数高、工作效率高、功率密度大。同 样 的，无刷直流 电 机也存在一定的技 术 劣 势1、 需要 电 子控制器才能工作，增加了技 术 复 杂 性和成本、降低了可靠性。2、 转 子永磁材料限制了 电 机使用 环 境，不适用于高温 环 境。73、有明 显 的 转 矩波 动 ，限制了 电 机在高性能伺服系 统 、低速度 纹 波系 统 的 应 用。前市 场
12、 上的模型 电 机全部是方波 驱动 。 无刷 电 机基本参数命名：外 转 子 电 机的命名原 则 ，各个厂家有所不同，有以 电 机定子的直径高度来命名，也有以 电 机的直径高度来命名，我司的 电 机都是以 电 机定子的直径与高度来命名。例如 2212 电 机，指的是 该电 机定子直径 22MM，高度 12MM。定子直径：硅 钢 片定子的直径定子高度（厚度）：硅 钢 片定子的高度铁 芯极数（槽数）：定子硅 钢 片的槽数量磁 钢 极数（极数）： 转 子上磁 钢 的数量匝数（ T）： 电 机定子槽上面所 绕 漆包 线 的圈数，注意，常 规 匝数指的是相 邻 2 个槽所 绕线 圈数量的和，即一个槽 绕
13、 8 圈，另外一个也是 8 圈，就是 16T。KV 值 ： 电 机的运 转 速度，越大 电 机 转 速越大。 电 机 转 速 =KV 值 *工作 电压 。空 载电 流：指定 电压 下， 电 机无任何 负载 的工作 电 流相 电 阻： 电 机 连 接完 毕 后， 2 个接点之 间 的 电 阻 值最大持 续电 流： 该电 机运 转 的最大安全 电 流最大持 续 功率： 该电 机运 转 的最大安全功率 功率 =电压 *电 流电 机重量： 电 机的重量轴 径： 转轴 的直径 无刷 电 机几个重要参数解析a、 额 定 电压无刷 电 机适合的工作 电压 ，其 实 无刷 电 机适合的工作 电压 非常广， 额
14、 定 电压 是指定了 负载 条件而得出的情况。例如 说 ， 2212-850KV 电机指定了 1045 螺旋 桨 的 负载 ，其 额 定工作 电压 就是 11V。如果减小 负载 ，例如 带 7040 螺旋 桨 ，那 这 个 电 机完全可以工作在 22V 电压下。但是 这 个工作 电压 也不是无限上升的，主要受制于 电 子控制器支持的最高 频 率。所以 说 ， 额 定工作是由工作 环 境决定的。b、 KV 值有刷直流 电 机是根据 额 定工作 电压 来 标 注 额 定 转 速的，无刷 电 机引入了 KV 值 的概念，而 让 用 户 可以直 观 的知道无刷 电 机在具体的工作电压 下的具体 转 速
15、。 实际转 速 =KV 值 *工作 电压 ， 这 就是 KV 的 实际 意 义 ，就是在 1V 工作 电压 下每分 钟 的 转 速。无刷直流 电 机的 转 速与电压 呈正比关系， 电 机的 转 速会随着 电压 上升而 线 性上升。例如， 2212-850KV 电 机在 10V 电压 下的 转 速就是： 850*10=8500RPM （ RPM，每分 钟转 速）。KV 值 与匝数是呈反比例关系的，例如 2212-850KV，匝数是 30T（ 15 圈），那在 28T 的情况下的 KV 值 是： 850KV*30T/28T=910KV。c、 转 矩与 转 速8转 矩：（力矩、扭矩） 电 机中 转
16、子 产 生的可以用来 带动 机械 负载 的 驱动 力矩，我 们 可以理解 电 机的力量。转 速： 电 机每分 钟 的 转 速。电 机的 转 矩和 转 速在同一个 电 机内永 远 是一个此消彼 长 的关系，基本可以 认为转 矩和 转 速的乘 积 是一个定数，即同一个 电 机的 转 速越高，必定其 转 矩越低，相反也依然。不可能要求个 电 机的 转 速也更高， 转 矩也更高， 这 个 规 律通用于所有 电 机。例如： 2212-850KV 电机，在 11V 的情况下可以 带动 1045 桨 ，如果将 电压 上升一倍，其 转 速也提高一倍，如果此 时负载 仍然是 1045 桨 ，那 该电 机将很快因
17、为电 流和温度的急 剧 上升而 烧 毁 。d、最大 电 流和最大功率最大 电 流： 电 机能 够 承受并安全工作的最大 电 流最大功率： 电 机能 够 承受并安全工作的最大功率 功率 =电压 *电 流每个 电 机都有自己的力量上限，最大功率就是 这 个上限，如果工作情况超 过 了 这 个最大功率，就会 导 致 电 机高温 烧 毁 。当然， 这 个最大功率也是指定了工作 电压 情况下得出的，如果是在更高的工作 电压 下，合理的最大功率也将提高。 这 是因 为 ： Q=I， 导 体的 发热 与 电 流的平方是正比关系，在更高的 电压 下，如果是同 样 的功率， 电 流将下降 导 致 发热 减少，使
18、得最大功率增加。这 也解 释 了 为 什么在 专业 的航拍 飞 行器上，大量使用 22.2V 甚至 30V 电 池来 驱动 多 轴飞 行器，高 压 下的无刷 电 机， 电 流小、 发热 小、效率更高。总 上所 诉 ，多旋翼 飞 行器上适用于无刷直流外 转 子 盘 式 电 机，外 转 子扭力大，可以搭配大尺寸 桨 叶，增大其升力，提高其 负载 。同 时选择 低 KV 值电 机，相同 电压 下 转 速低，相 应 的所需 电 流减小，耗 电 量减小，增加 续 航 时间 。9102.2 锂电 池 简 介2.2.1 无人机 电 池的 选择无人机由于要克服重力 实现 高空 飞 行 进 行作 业 ，所以其
19、对 重量的要求极其苛刻。作 为动 力的 电 池其必要的一点就是其要能力密度要高。能量密度指的是 电 池所含能量与 电 池重量之比，其 值 越大越好。目前来 说 LI-Po(锂 聚合物 电 池 )最符合要求。2.2.2 锂 聚合物 电 池基本参数 电压 ：通常有 3.6V 锂 离子 电 池， 3.7V 锂 聚合物 电 池 他 们 在 %电压 方面的 %充 电 和使用基本上可以 归为 一 类 ， 标 准放 电 平台都是3.0V4.2V 也就是安全 电压 。安全 电压 也成 为 放 电 截至 电压 ， 电 池放 电 后的 电压 不能低于安全 电压 ，如果放 电 后 电压 低于安全 电压 ，也就是 电
20、 池 过 放，会 导 致 电 池内部 结 构不可逆 转 的破坏，造成 电 池性能大幅度的下降。 容量：通常有 mAh Ah 等。 这 是一个复合型 单 位， mA,A 代表的是 电 流 1000MA=1A （ A:安培 amper） H 当然就是 时间 （ H:Hour，小时 ） 这 些都是英文的 简 写。例如 一 块电 池如果是 1000mAh 的那么就代表 该电 池在 1 小 时 放完自身所有 电 量的情况下（从 4.2V2.0V）(V:volt 伏特 )能 够 达到 1000mA 的平均 电 流。或者 简单 一些可以理解 为 能 够 以 1000mA 的 电 流放 电 持 续 1 小 时
21、 。 1000MAH 可以 换 算 为 1Ah，这 里大家存在一个 误 区，可能 简单 的 认为 我 们 以 2000mAh 的 电 流放 这块电 池那么 这块电 池的放 电时间 就可以 坚 持半小 时 。 这样说 不能说 是 错误 的 但至少是不 严谨 的。因 为 随着 电 流的增加 电 池的内阻不 变 的情况下， 产 生的 热 量在不断的增加，并且 电 池的内阻越是大 电流的情况下体 现 的越明 显 ，因 为 外部 电 路的 电 阻随着放 电电 流的增加必然减少而 电 池内阻不 变 的情况下必然 导 致效率降低 发热 增高，所以 刚 才提到的 举 例的那 块电 池在 2000MAH 下 放 电时间 必然少于半小 时 并且 电 流越大 这 点体 现 的越明 显 ，也就是 说这块电 池在 10A的情况下 放 电时间 将 远远 少于 6 分 钟 ！
