揭開多旋翼無人機(jī)的神秘面紗（上）

姜連濤

無人機(jī)在民用上應(yīng)用最廣泛的主要有三大類：多旋翼無人機(jī)、固定翼無人機(jī)和無人直升機(jī)。作為當(dāng)今最受歡迎的無人機(jī)——多旋翼無人機(jī)，通過近些年的快速發(fā)展，多旋翼無人機(jī)已經(jīng)占據(jù)了民用無人機(jī)行業(yè)的半壁江山，從行業(yè)應(yīng)用到個(gè)人娛樂，出現(xiàn)在社會(huì)生活的各個(gè)方面。那么，多旋翼無人機(jī)究竟是憑借什么成為無人機(jī)中的明星呢？讓我們一起來看看吧！

多旋翼無人機(jī)也叫多軸飛行器，是一種具有三個(gè)及以上旋翼軸的特殊的無人駕駛旋翼飛行器，圖1所示即為八旋翼無人機(jī)。多旋翼無人機(jī)是一種特殊的直升機(jī)，多旋翼無人機(jī)可以像常見直升機(jī)一樣垂直起降和懸停，但在機(jī)械結(jié)構(gòu)上卻比直升機(jī)簡單很多，因此便于小型化、批量化生產(chǎn)，同時(shí)在操作控制上也容易許多。多旋翼無人機(jī)體積小、重量輕、攜帶方便，出現(xiàn)飛行事故時(shí)破壞力小。有些小型多旋翼飛行器的旋翼還帶有保護(hù)框，防止高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳傷到人。

多旋翼無人機(jī)通過每個(gè)軸上的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生升推力。通過改變不同螺旋槳之間的相對轉(zhuǎn)速，可以改變單軸推進(jìn)力的大小，從而達(dá)到控制飛行器的目的。常見的多旋翼無人機(jī)有四旋翼、六旋翼、八旋翼等結(jié)構(gòu)布局。

一架多旋翼無人機(jī)究竟由哪些部件組成？各個(gè)部件又能起到什么作用呢？了解這些知識，可以讓我們更加明白無人機(jī)的飛行和操縱原理。接下來，我們將以多旋翼無人機(jī)最典型的結(jié)構(gòu)布局——四旋翼無人機(jī)為例，揭開多旋翼無人機(jī)的神秘面紗！

多旋翼無人機(jī)主要包括以下幾個(gè)部分：機(jī)體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、鏈路系統(tǒng)，以及任務(wù)設(shè)備。下面，我們分別介紹這些多旋翼無人機(jī)部件。

無人機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)是其他所有機(jī)載設(shè)備的載體，主要包括機(jī)架、支臂、起落架。簡單來說，無人機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)就是當(dāng)我們見到一架無人機(jī)時(shí)，它呈現(xiàn)的外形結(jié)構(gòu)殼體，其他所有的部件都會(huì)裝載到機(jī)體上。

無人機(jī)的機(jī)架類似于人體的骨骼，主要是裝載機(jī)載設(shè)備、動(dòng)力電池。同時(shí)它是其他部件的安裝基礎(chǔ)，支臂、起落架都要安裝在機(jī)架上。如圖2所示。

無人機(jī)的支臂是機(jī)架結(jié)構(gòu)的延伸，也就是我們常說的軸，它一頭連接機(jī)架，一頭用來安裝電機(jī)。如圖3所示。

無人機(jī)的起落架，又叫腳架，主要用來停放無人機(jī)，也可以保護(hù)機(jī)架下方的任務(wù)設(shè)備，比如云臺(tái)、相機(jī)。有些無人機(jī)的起落架是可以收放的。如圖4所示。

值得注意的是，現(xiàn)在很多多旋翼無人機(jī)的機(jī)架、支臂、起落架是一體結(jié)構(gòu)，不可分開，這樣可以有效減少連接部件數(shù)量，減輕無人機(jī)重量，從而增加飛行時(shí)間，比如大疆“精靈”無人機(jī)。

多旋翼無人機(jī)的機(jī)體可以有許多種布局形式。從數(shù)量上說，有四旋翼、六旋翼、八旋翼等；從機(jī)體結(jié)構(gòu)上說，有“+”形、“X”形、“Y”形等等。

“+”形布局的四旋翼無人機(jī)是最早出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)類型，“+”形布局的無人機(jī)飛控開發(fā)難度低，其前后左右飛行控制簡單，但是由于無人機(jī)前飛時(shí)，前方螺旋槳非常容易進(jìn)入到拍攝畫面中，所以目前已經(jīng)被“X”形布局無人機(jī)取代。

“X”形布局的無人機(jī)是目前最常見的結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)無人機(jī)飛行時(shí)反應(yīng)迅速、動(dòng)力強(qiáng)勁，不止是四旋翼無人機(jī)，六旋翼無人機(jī)和八旋翼無人機(jī)也多采用這種布局形式。

多旋翼無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)主要包括：螺旋槳、電機(jī)、電調(diào)和動(dòng)力電池。對于一架四旋翼無人機(jī)來說，動(dòng)力系統(tǒng)有四個(gè)螺旋槳、四個(gè)電機(jī)、四個(gè)電調(diào)和動(dòng)力電池。動(dòng)力系統(tǒng)是一架多旋翼無人機(jī)的關(guān)鍵配置，這四個(gè)部件之間依次相連，并且相互之間有著特殊的制約關(guān)系，并不是可以隨心所欲地搭配，合理的搭配可以發(fā)揮出最佳的動(dòng)力，不合理的搭配不但會(huì)造成動(dòng)力欠佳，嚴(yán)重的還會(huì)燒毀電機(jī)或者電調(diào)，造成飛行事故。

1. 螺旋槳

螺旋槳是安裝在電機(jī)上產(chǎn)生升推力的部件，螺旋槳旋轉(zhuǎn)得越快，升推力相對也就越大。不同型號的螺旋槳有不同的直徑和不同的螺距。螺旋槳的直徑就是指槳的長度，而螺距是指螺旋槳旋轉(zhuǎn)一圈上升的距離，可以用一顆螺絲釘來類比，螺絲釘擰一圈，也會(huì)前進(jìn)一定的距離，也可以用瓶蓋來類比，就是擰瓶蓋一圈瓶蓋移動(dòng)的距離，如圖5所示。直徑和螺距是用四位數(shù)字表示的，比如8043，前兩位表示直徑為8英寸，后兩位表示螺距為4.3英寸，要注意單位是英寸（1英寸=2.54厘米），如圖6所示。

此外，螺旋槳還分為正槳和反槳。從上往下看，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的螺旋槳是正槳，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的螺旋槳是反槳，如圖7所示。之所以將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的槳定義為正槳，是因?yàn)樵诤娇瞻l(fā)展的早年，發(fā)動(dòng)機(jī)在機(jī)頭處，螺旋槳也相應(yīng)地在機(jī)頭位置，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，是需要人來撥動(dòng)的，而右撇子的人比較適合撥動(dòng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的槳。眾所周知，右撇子還是占據(jù)人口的大多數(shù)，所以各大發(fā)動(dòng)機(jī)廠商就把發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向固定了，這一習(xí)慣也就慢慢地流傳下來了。那么，我們在自己動(dòng)手安裝槳葉的時(shí)候，一定要注意區(qū)分正、反槳，千萬不能裝錯(cuò)。無論正槳還是反槳，安裝的時(shí)候，一定記得有數(shù)字標(biāo)識的一面是正面，圓潤的一邊是迎風(fēng)邊。

無人機(jī)的螺旋槳的材料主要有三種：工程塑料、木質(zhì)和碳纖維。

對于微型無人機(jī)來說，工程塑料槳是使用最廣泛的，其主要優(yōu)點(diǎn)是成本低，韌性好，動(dòng)平衡性能好，輕微碰撞之后不容易損壞；但其缺點(diǎn)也很明顯，塑料槳本身比較軟，所以用在大載重的多旋翼無人機(jī)上進(jìn)行高速飛行時(shí)會(huì)發(fā)生輕微的變形，產(chǎn)生震顫，導(dǎo)致拍攝出的畫面不穩(wěn)。但選用高質(zhì)量的塑料槳可以有效避免這一情況發(fā)生，圖7所示即為工程塑料槳。

木槳硬度高重量輕，震動(dòng)極小，靜平衡完美，無震顫，價(jià)格便宜，但效率低于工程塑料槳，也低于同尺寸優(yōu)質(zhì)的碳纖維槳，圖8所示為木槳。

碳纖維槳效率高于木槳，硬度高，強(qiáng)度高，不變形，效率高，震顫極小，但是價(jià)格高，極脆易折，圖9所示為碳纖維槳。

大家都知道，無人機(jī)的螺旋槳是安裝在電機(jī)上的。螺旋槳要想旋轉(zhuǎn)起來帶動(dòng)無人機(jī)起飛，必須由電機(jī)帶動(dòng)，并且電機(jī)的轉(zhuǎn)速快慢將會(huì)直接決定無人機(jī)的飛行狀態(tài)。要知道，無人機(jī)可是飛行在天上的，和地面的汽車不同，汽車如果發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)故障，后果一般不會(huì)很嚴(yán)重，但是如果飛行在天上的無人機(jī)電機(jī)發(fā)生故障停轉(zhuǎn)，那是會(huì)墜落的，將會(huì)造成很嚴(yán)重的危險(xiǎn)后果。所以，無人機(jī)的電機(jī)是很重要的部件，飛行之前也要仔細(xì)檢查電機(jī)有沒有故障。

無人機(jī)所使用的電機(jī)多種多樣。首先在大小上就有很多種，有的細(xì)而長，有的粗且短。這些在大小上的區(qū)分會(huì)標(biāo)示在電機(jī)的殼體上，和螺旋槳類似，也是由四位數(shù)字組成，比如2204，前面兩位表示的是電機(jī)定子的直徑為22mm，后面兩位表示的是電機(jī)定子的高度4mm，注意單位是毫米。看懂這個(gè)標(biāo)識，你就可以馬上分辨出電機(jī)的大小了。其次，電機(jī)還有一個(gè)重要的參數(shù)叫作KV值，表示的是電機(jī)在空轉(zhuǎn)時(shí)每增加1V電壓所增加的轉(zhuǎn)速值。空轉(zhuǎn)是什么意思呢，就是在電機(jī)沒有裝上螺旋槳的情況下轉(zhuǎn)動(dòng)。在裝上螺旋槳后，電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)相應(yīng)降低。

電調(diào)是電子調(diào)速器的簡稱，英文名是ESC，如圖12所示。我們從它的名字上就可以看出，電調(diào)主要是用來調(diào)速的。它調(diào)的是什么“速”呢？很顯然，是電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)的轉(zhuǎn)速將會(huì)直接表現(xiàn)在螺旋槳的轉(zhuǎn)速上，相應(yīng)地也就會(huì)影響無人機(jī)的飛行狀態(tài)。那么根據(jù)什么來調(diào)整轉(zhuǎn)速呢？當(dāng)然是根據(jù)我們給無人機(jī)的指令來調(diào)整轉(zhuǎn)速。

電調(diào)和電機(jī)是直接相連的，所以在選擇搭配電機(jī)和電調(diào)時(shí)，要注意匹配問題，合理地匹配電機(jī)電調(diào)，可以做到效率和性價(jià)比最高，也就是用最少的成本達(dá)到最好的效果。要是搭配不合理，很有可能造成電機(jī)或電調(diào)燒毀，發(fā)生飛行事故。

說到電池，大家都不陌生，因?yàn)槲覀冊谌粘Ｉ钪袝?huì)使用到很多電池。但是，你有沒有仔細(xì)觀察過你身邊的電池呢？我們來思考一個(gè)問題：電視遙控器的電池和手機(jī)里的電池是不是一樣的呢？和我們無人機(jī)用的電池又是不是一樣呢？

電池有很多種，無人機(jī)所使用的電池和我們在日常生活中見到的電池大都不一樣，是鋰聚合物電池（圖13）。別小看這一塊小小的電池，它蘊(yùn)含著很大的能量，無人機(jī)所需要的電力都是由它來供應(yīng)的。鋰聚合物電池的能量很大，但是它的“脾氣”也很大，在使用過程中，要注意保護(hù)它，它才能發(fā)揮最大的作用。怎樣保護(hù)它呢？第一，要注意在充電和使用過程中，不能過度充電和過度放電，一旦過度充電或過度放電了，它可能會(huì)生氣地脹大肚子，造成使用壽命縮短，所以要用專用的充電器給它充電。第二，在使用的時(shí)候要注意不要磕碰它，磕碰會(huì)讓它變形，很可能會(huì)使它鼓包炸開！還有，千萬不能用尖銳的東西刺它，不能用火燒它！

（編輯 孫世奇）