多旋翼無(wú)人機(jī)的基本組成和布局

多旋翼無(wú)人機(jī)出現(xiàn)在21世紀(jì)初，它依靠若干旋翼為無(wú)人機(jī)的飛行提供升力和推力。多旋翼無(wú)人機(jī)的旋翼大小相同，分布位置對(duì)稱，通過(guò)調(diào)節(jié)旋翼轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的懸停、前進(jìn)等飛行動(dòng)作。由于多旋翼無(wú)人機(jī)需要對(duì)旋翼的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行精準(zhǔn)的同步控制，因此往往選用電動(dòng)機(jī)作為旋翼驅(qū)動(dòng)裝置。多旋翼無(wú)人機(jī)飛行穩(wěn)定，操縱靈活，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，成本低，可以在人不易進(jìn)入的各種惡劣環(huán)境工作，常被用于執(zhí)行航拍取景、實(shí)時(shí)監(jiān)控、地形勘探等任務(wù)。目前，無(wú)人機(jī)在快遞等新興領(lǐng)域也得到應(yīng)用。鑒于以上因素，多旋翼無(wú)人機(jī)也最容易進(jìn)入大眾消費(fèi)的領(lǐng)域，在消費(fèi)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)由機(jī)身、動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。其中，機(jī)架、支臂、起落架、任務(wù)載荷設(shè)備構(gòu)成了機(jī)身主體，電機(jī)、螺旋槳、電調(diào)、電池構(gòu)成了動(dòng)力系統(tǒng)。飛控導(dǎo)航設(shè)備、機(jī)上數(shù)據(jù)鏈路構(gòu)成了控制系統(tǒng)。

多旋翼無(wú)人機(jī)的旋翼個(gè)數(shù)大多數(shù)為偶數(shù)(少數(shù)無(wú)人機(jī)采用三旋翼)，并對(duì)稱分布在機(jī)體的前后、左右四個(gè)方向，多個(gè)旋翼處于同一高度平面或上下兩個(gè)高度平面，且各旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，相鄰的旋翼安裝正反螺旋槳，用以抵消陀螺效應(yīng)和旋轉(zhuǎn)扭矩。另外，還會(huì)根據(jù)實(shí)際任務(wù)需求搭載相關(guān)的設(shè)備，例如航拍時(shí)會(huì)用到圖傳發(fā)射器和接收器(也被稱作FPV設(shè)備)，能夠?qū)崟r(shí)地查看無(wú)人機(jī)拍到的畫面。

動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)包含動(dòng)力源、電機(jī)、電調(diào)、螺旋槳。

圖1 多旋翼無(wú)人機(jī)組成

動(dòng)力源

動(dòng)力源是為無(wú)人機(jī)提供飛行動(dòng)力的部件，一般分為油動(dòng)和電動(dòng)兩種。近年來(lái)出現(xiàn)了氫燃料動(dòng)力源。電動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)是最主流的機(jī)型，動(dòng)力系統(tǒng)由電機(jī)、電調(diào)、電池三部分組成。無(wú)人機(jī)使用的電池一般都是高能量密度的鋰聚合物電池，由于一些客觀原因，理論上每300g鋰電池可以為重量500g的無(wú)人機(jī)提供17min飛行時(shí)間。受制于現(xiàn)有的技術(shù)水平和成本，氫燃料電池、太陽(yáng)能電池等暫時(shí)還無(wú)法普及。無(wú)人機(jī)主要在露天作業(yè)，對(duì)電機(jī)、電調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高，需要定期進(jìn)行檢查、保養(yǎng)、防水、防潮。

電機(jī)

電機(jī)也稱為“馬達(dá)”，類似于人體中的四肢。電機(jī)一端固定在機(jī)臂的電機(jī)座上，另一端用來(lái)固定螺旋槳。電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，為無(wú)人機(jī)產(chǎn)生推力。

圖2 鋰電池

圖3 無(wú)刷電機(jī)

電機(jī)大致分為無(wú)刷電機(jī)和有刷電機(jī)。通常來(lái)講，有刷電機(jī)是內(nèi)部含有換相電刷的電動(dòng)機(jī)。四旋翼無(wú)人機(jī)大多數(shù)采用無(wú)刷電機(jī)。無(wú)刷電機(jī)具有低干擾、低噪聲、長(zhǎng)壽命、低能耗、高效率的優(yōu)點(diǎn)。微小型四旋翼無(wú)人機(jī)一般使用空心杯電機(jī)，空心杯電機(jī)在結(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，采用的是無(wú)鐵芯轉(zhuǎn)子，空心杯電機(jī)具有重量輕、體積小、能耗低、啟動(dòng)制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間快的優(yōu)點(diǎn)。值得注意的是，空心杯電機(jī)也分為無(wú)刷和有刷，一般選用無(wú)刷空心杯電機(jī)。

電調(diào)

電子調(diào)速器英文縮寫ESC(中文簡(jiǎn)稱電調(diào))，可以分為無(wú)刷電子調(diào)速器與有刷電子調(diào)速器。電子調(diào)速器是一個(gè)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制裝置。它根據(jù)接收的信號(hào)，通過(guò)控制器和執(zhí)行器來(lái)改變電能供電的大小，作用就是將飛控板的控制信號(hào)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯拇笮。钥刂齐姍C(jī)的轉(zhuǎn)速。因?yàn)槭墙o電機(jī)調(diào)節(jié)速度的，所以電調(diào)也分為有刷電調(diào)和無(wú)刷電調(diào)，電調(diào)上的幾根線連接電機(jī)、電池、飛控，輸入端2根線，接到電源正負(fù)極，輸出端是3根線，接到電機(jī)上，信號(hào)線接到飛控上，給飛控供電和接收命令。電調(diào)里常說(shuō)的A數(shù)，就是電流安培數(shù)。例如30A的電調(diào)，就是適用于電流30A的無(wú)刷電機(jī)。

圖4 電調(diào)

螺旋槳

螺旋槳安裝在電機(jī)上面，通過(guò)旋轉(zhuǎn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，提供升力讓四旋翼無(wú)人機(jī)起飛。四旋翼無(wú)人機(jī)為了抵消螺旋槳產(chǎn)生的反扭力，相隔的螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向不一樣，所以分為正反槳，正槳和反槳風(fēng)都是向下吹。俯視時(shí)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的是反槳，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的為正槳。

機(jī)身主體

機(jī)架

無(wú)人機(jī)的機(jī)架或機(jī)身指無(wú)人機(jī)的承載平臺(tái)，一般選擇高強(qiáng)度輕質(zhì)材料制造，例如：玻纖、玻纖維、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、聚丙烯(PP)、尼龍、改性塑料、改性聚碳酸酯(PC)、樹脂、鋁合金等。無(wú)人機(jī)所有的設(shè)備都是安裝在機(jī)架機(jī)身上，支架數(shù)量也決定了該無(wú)人機(jī)為幾旋翼無(wú)人機(jī)。優(yōu)秀的無(wú)人機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)可以讓其他各個(gè)部件安裝合理，堅(jiān)固穩(wěn)定，拆裝方便。

腳架

腳架也稱起落架，是整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中唯一一個(gè)能夠全部支撐起整架無(wú)人機(jī)的部件，在起飛和降落時(shí)起到支撐和緩沖的作用。

云臺(tái)

無(wú)人機(jī)云臺(tái)是無(wú)人機(jī)用于安裝、固定攝像機(jī)等任務(wù)載荷的支撐設(shè)備。

云臺(tái)控制系統(tǒng)主要是研究以單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的主控芯片，結(jié)合各種傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)而開發(fā)的云臺(tái)專用控制系統(tǒng)。云臺(tái)控制系統(tǒng)的功能主要包括兩個(gè)方面，一是實(shí)現(xiàn)云臺(tái)的自穩(wěn)功能，也就是穩(wěn)像功能;二是控制云臺(tái)在空間方位的轉(zhuǎn)動(dòng)。若控制對(duì)象有可控部分，如相機(jī)的拍照和光圈的調(diào)節(jié)等，控制系統(tǒng)還應(yīng)該對(duì)其有相應(yīng)的控制功能。

云臺(tái)就是兩個(gè)直流電機(jī)組成的安裝平臺(tái)，可水平和垂直方向運(yùn)動(dòng)。但要注意區(qū)別于照相器材中的云臺(tái)概念。照相器材的云臺(tái)一般來(lái)說(shuō)只是一個(gè)三腳架，只能通過(guò)手工來(lái)調(diào)節(jié)方位，而無(wú)人機(jī)所搭載的云臺(tái)是通過(guò)控制系統(tǒng)，在遠(yuǎn)程控制其轉(zhuǎn)動(dòng)及移動(dòng)的方向。云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)速度是衡量云臺(tái)檔次高低的重要指標(biāo)。云臺(tái)水平和垂直方向是由兩個(gè)不同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，因此云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度也分為水平轉(zhuǎn)速和垂直轉(zhuǎn)速。由于載重的原因，垂直電機(jī)在啟動(dòng)和運(yùn)行保持時(shí)的扭矩大于水平方向的扭矩，再加上實(shí)際監(jiān)控時(shí)對(duì)水平轉(zhuǎn)速的要求要高于垂直轉(zhuǎn)速。因此一般來(lái)說(shuō)，云臺(tái)的垂直轉(zhuǎn)速要低于水平轉(zhuǎn)速。

控制系統(tǒng)

飛控控制系統(tǒng)

圖5 可以電動(dòng)收起的起落架

圖6 云臺(tái)

飛控控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱飛控系統(tǒng))是無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)，不管是無(wú)人機(jī)自動(dòng)保持飛行狀態(tài)還是對(duì)無(wú)人機(jī)人為操作，都需要通過(guò)飛控系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。一些高階的飛控系統(tǒng)除了保證飛機(jī)正常飛行導(dǎo)航功能以外，還有安全冗余、飛行數(shù)據(jù)記錄、飛行參數(shù)調(diào)整和自動(dòng)飛行優(yōu)化等功能。飛控系統(tǒng)是整個(gè)無(wú)人機(jī)的控制核心，主要包括飛行控制、加速計(jì)、氣壓計(jì)、傳感器、陀螺儀、地磁儀、定位芯片、主控芯片等多個(gè)部件。

圖7 飛控

圖8 “X”型旋翼氣動(dòng)布局與電機(jī)轉(zhuǎn)向示意圖

圖9 “十”型旋翼氣動(dòng)布局與電機(jī)轉(zhuǎn)向示意圖

遙控系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)遙控系統(tǒng)主要由遙控器、接收器、解碼器、伺服系統(tǒng)組成。遙控器是操作平臺(tái)，接收器接到遙控器信號(hào)進(jìn)行解碼，分離出動(dòng)作信號(hào)傳輸給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)則根據(jù)信號(hào)做出相應(yīng)的動(dòng)作。

多旋翼無(wú)人機(jī)氣動(dòng)布局分類

多旋翼無(wú)人機(jī)常見的氣動(dòng)布局有“X”型、“十”型、“H”型。

“X”型

“X”型是多旋翼無(wú)人機(jī)最基礎(chǔ)、最常見的氣動(dòng)布局。“X”型氣動(dòng)布局是在飛行器前進(jìn)方向的等分角度(左前和右前距機(jī)頭方向均45°，機(jī)尾反向的右后和左后距機(jī)尾方向均45°)放置相反方向的電機(jī)和螺旋槳來(lái)抵消電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反扭力。

“十”型

“十”型多旋翼氣動(dòng)結(jié)構(gòu)是最早出現(xiàn)的一種多旋翼氣動(dòng)布局之一，這種布局很簡(jiǎn)單，只需要改變軸向上電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即可改變飛行器姿態(tài)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)飛行。由于“十”型機(jī)構(gòu)正前方的螺旋槳會(huì)在航拍時(shí)進(jìn)入畫面(俗稱“漏槳”)造成不便，隨著飛控的發(fā)展，“十”型布局逐漸被“X”型布局代替。

“H”型

“H”型與“X”型氣動(dòng)布局相似，優(yōu)點(diǎn)在于通常設(shè)計(jì)為折疊結(jié)構(gòu)，“H”型機(jī)構(gòu)同時(shí)擁有“X”型布局的優(yōu)點(diǎn)，所以，很受用戶青睞。但是“H”型結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)也比較明顯，要比同級(jí)別“X”型布局的無(wú)人機(jī)安裝同樣螺旋槳的飛機(jī)尺寸大，重量也重。

多旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)布局

四旋翼無(wú)人機(jī)

圖10 “H”型氣動(dòng)布局示意

圖11 四旋翼無(wú)人機(jī)

四旋翼是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、飛行效率高的常見多旋翼結(jié)構(gòu)，也是目前市場(chǎng)上保有量最多的多旋翼無(wú)人機(jī)類型。多旋翼玩具、小型航拍機(jī)一般都選用該結(jié)構(gòu)。但是，四旋翼無(wú)人機(jī)沒(méi)有動(dòng)力冗余，在飛行中只要有一個(gè)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，四旋翼無(wú)人機(jī)都會(huì)無(wú)法控制而出現(xiàn)“炸機(jī)”現(xiàn)象。

圖12 六旋翼無(wú)人機(jī)

圖13 八旋翼無(wú)人機(jī)

六旋翼無(wú)人機(jī)

理論上槳葉越大氣動(dòng)效率越高。從這個(gè)角度來(lái)看，大中型的多旋翼無(wú)人機(jī)應(yīng)該采用四軸設(shè)計(jì)，但是四旋翼沒(méi)有動(dòng)力冗余，而六旋翼的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力冗余，在飛行中一個(gè)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)仍然可以安全降落。所以，大中型無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)多采用六軸結(jié)構(gòu)。

八旋翼無(wú)人機(jī)

大型多旋翼無(wú)人機(jī)也可以采用更多旋翼數(shù)量，例如8軸，還有更多的像16軸等。

無(wú)人機(jī)的飛行還有很多的輔助設(shè)備，如地面站、定高定位模塊等。隨著科技的進(jìn)步，更多布局新穎的無(wú)人機(jī)將會(huì)被制造出來(lái)。■