无人机系统组成及原理

四轴(多轴)飞行器也叫四旋翼(多旋翼)飞行器,它有四个(多个)螺旋桨,四轴(多轴)飞行器也是飞行器中结构最简单的飞行器了。

前后左右各一个,其中位于中心的主控板接收来自于遥控发射机的控制信号,在收到操作者的控制后通过数字的控制总线去控制四个电调,电调再把控制命令转化为电机的转速,以达到操作者的控制要求。

根据所安装的飞控系统来确定电机的转动顺序和螺旋桨的正反,机械结构上只需保持重量分布的均匀,四电机保持在一个水平线上,可以说结构非常简单,做四轴的目的也是为了用电子控制把机械结构变得尽可能的简单。

无人机组成

机身:机身是大多数设备的安装位置,也是多旋翼无人机的主体,也成为机架。根据机臂个数不同分为:三旋翼,四旋翼,六旋翼,八旋翼,十六旋翼,十八旋翼也有四轴八旋翼等,结构不同叫法也不同。出于结构强度和重量考虑,一般采用碳纤维材质。

起落架:多旋翼无人机唯一和地面接触的部位。作为整个机身在起飞和降落时候的缓冲,也是为了保护机载设备,要求强度高,结构牢固,和机身保持相当可靠的连接,能够承受一定的冲力。一般在起落架前后安装或者涂装上不同的颜色,用来在远距离多旋翼无人机飞行时能够区分多旋翼无人机的前后。

马达:对于电动无人机来说就是电机,是多旋翼无人机的动力机构,提供升力,推力等。无刷电机去除了电刷,最直接的变化就是没有了有刷电机运转时产生的电火花,这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰。无刷电机没有了电刷,运转时摩擦力大大减小,运行顺畅,噪音会低许多,这个优点对于模型运行稳定性是一个巨大的支持。

电机四个数字的含义: 2212电机、2018电机等等,这表示电机的尺寸。不管什么牌子的电机,具体都要对应4位这类数字,其中前面2位是电机转子的直径,后面2位是电机转子的高度。注意,不是外壳。简单来说,前面2位越大,电机越肥,后面2位越大,电机越高。又高又大的电机,功率就更大,适合做大四轴。通常2212电机是最常见的配置了。

无刷电机KV值定义:转速/V,意思为输入电压增加1V,无刷电机空转转速增加的转速值。例如:1000kv电机,外加1v电压,电机空转时每分钟转1000转,外加2v电压,电机空转就2000转了。单从KV值,不可以评价电机的好坏,因为不同KV值有不同的适用不同尺寸的浆绕线匝数多的,KV值低,最高输出电流小,但扭力大,上大尺寸的浆;绕线匝数少的,KV值高,最高输出电流大,但扭力小,上小尺寸的浆。

电调:电子调速器,将飞控的控制信号,转变为电流信号,用于控制电机转速。因为电机的电流是很大的,通常每个电机正常工作时,平均有3A左右的电流,如果没有电调的存在,飞控根本无法承受这样大的电流,而且飞控也没有驱动无刷电机的功能。同时电调在多旋翼无人机中也充当了电压变化器的作用,将11.1V电压变为5V电压给飞控供电。

电池:是电动多旋翼无人机的供电装置,给电机和机载电子设备供电。最小是1S电池,常用的是3S、4S、6S,1S代表3.7V电压,

螺旋桨:安装在电机上,多旋翼无人机安装的都是不可变总距的螺旋桨,主要指标有螺距和尺寸。浆的指标是4位数字,前面2位代表桨的直径(单位:英寸,1英寸=254毫米)后面2位是桨的螺距。

正反桨 :四轴飞行为了抵消螺旋桨的自旋,相邻的桨旋转方向是不一样的,所以需要正反桨。正反桨的风都向下吹。适合顺时针旋转的叫正浆、适合逆时针旋转的是反浆。安装的时候,一定记得无论正反桨,有字的一面是向上的(桨叶圆润的一面要和电机旋转方向一致)。

电机与螺旋桨的搭配:这是非常复杂的问题,我自己也在研究当中,所以建议采用大家常见的配置吧,但原理这里可以阐述一下:螺旋桨越大,升力就越大,但对应需要更大的力量来驱动;螺旋桨转速越高,升力越大;电机的kv越小,转动力量就越大;

综上所述,大螺旋桨就需要用低kv电机,小螺旋桨就需要高kv电机(因为需要用转速来弥补升力不足)。如果高kv带大桨,力量不够,那么就很困难,实际还是低俗运转,电机和电调很容易烧掉。如果低kv带小桨,完全没有问题,但升力不够,可能造成无法起飞。例如:常用1000kv电机,配10寸左右的桨。

飞控:包括陀螺仪、加速度计、电路控制板、各外设接口。

陀螺仪:理论上陀螺只测试旋转角速度,但实际上所有的陀螺都对加速度敏感,而重力加速度在我们地球上又是无处不在,并且实际应用中,很难保证陀螺不受冲击和振动产生的加速度的影响,所以再实际应用中陀螺对加速度的敏感程度就非常的重要,因为振动敏感度是最大的误差源。两轴陀螺仪能起到增稳作用,三轴陀螺仪能够自稳。

加速度计:一般为三轴加速度计,测量三轴加速度和重力。

遥控装置:包括遥控器和接收机,接收机装在机上。一般按照通道数将遥控器分成六通道、八通道、十四通道遥控器等,对于通道的概念在后边章节会有详细介绍。

GPS模块:测量多旋翼无人机当前的经纬度、高度、航迹方向、地速等信息。一般在GPS模块中还会包含地磁罗盘(三轴磁力计):测量飞机当前的航向。

任务设备:目前最多的就是云台,常用的有两轴云台和三轴云台;云台作为相机或摄像机的增稳设备,提供两个方向或三个方向的稳定控制。云台可以和控制电机的集成在一个遥控器中,也可以单独的遥控器控制。

数据链路:数据链路包括数传和图传。数传就是数字传输,数传终端和地面控制站(笔记本或手机等数据终端),接受来自飞控系统的数据信息。图传就是图像传输,接受机载相机或摄像机拍摄的图像,一般延迟在几十毫秒,目前也有高清数字图传,传输速率和清晰度都有很大提高。