我是無人機(jī)小飛手多旋翼無人機(jī)的基本組成和布局（下）

北京小飛手教育科技有限公司/彭濤

復(fù)雜的飛控系統(tǒng)

三、控制系統(tǒng)

1.飛行控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)簡稱飛控，可以看作無人機(jī)的大腦，是完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)和返場回收等整個飛行過程的核心系統(tǒng)。不管是無人機(jī)自動保持飛行狀態(tài)（如懸停）還是對無人機(jī)人為操作，都需要通過飛控系統(tǒng)對其動力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)。工作時，飛控可發(fā)送各種指令，并處理各部件傳回的數(shù)據(jù)，就像人體的大腦對身體各個部位發(fā)送指令那樣。一些高階的飛控系統(tǒng)除了保證無人機(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)整和自動飛行優(yōu)化等功能。

飛控一般包括傳感器、機(jī)載計(jì)算機(jī)和控制舵機(jī)三大部分，以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定和控制、無人機(jī)任務(wù)設(shè)備管理和應(yīng)急控制三大類功能。對于多旋翼無人機(jī)來說，其主要由檢測模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊以及供電模塊組成。其中檢測模塊實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行量測；執(zhí)行模塊則對當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行解算、優(yōu)化控制，并對執(zhí)行模塊產(chǎn)生相對應(yīng)的控制量；供電模塊對整個系統(tǒng)進(jìn)行供電。為實(shí)現(xiàn)這些功能，多旋翼無人機(jī)的飛控上一般會裝有加速度計(jì)、氣壓計(jì)、陀螺儀、地磁儀、定位芯片、主控芯片等多種零部件。

手持式無人機(jī)遙控設(shè)備

無人機(jī)操縱地面站

2.遙控系統(tǒng)

無人機(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，接收器接到遙控器信號進(jìn)行解碼，分離出動作信號傳輸給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)則根據(jù)信號做出相應(yīng)的動作。常見的遙控設(shè)備有手持遙控器和地面站兩種。此外，消費(fèi)級無人機(jī)通常還支持手機(jī)APP操縱方式。

無人機(jī)遙控系統(tǒng)一般采用2.4GHz無線電信號頻率，以保證足夠的傳輸距離。不同無人機(jī)間的通信協(xié)議不同，常見的有PWM、PPM、S-BUS、X-BUS等幾種。

四、多旋翼無人機(jī)氣動布局分類

多旋翼無人機(jī)常見的氣動布局有“X”型、“十”型和“H”型3種。

1.“X”型

“X”型是多旋翼無人機(jī)最基礎(chǔ)、最常見的氣動布局。其電機(jī)臂的分布方式為以飛行器前進(jìn)方向?yàn)橹芯€，向左右兩側(cè)等分角度。以四旋翼無人機(jī)為例，左前和右前機(jī)臂距機(jī)頭中線的夾角均為45°，左后和右后機(jī)臂距機(jī)尾方向中線的夾角也均為45°。左右相鄰電機(jī)臂上放置轉(zhuǎn)動方向相反的電機(jī)和螺旋槳，以抵消電機(jī)轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的反扭矩。若電機(jī)臂數(shù)超過4個，則按照等分原則，以60°為夾角（六旋翼無人機(jī)）或45°為夾角（八旋翼無人機(jī)），成對增加電機(jī)臂數(shù)。

2.“十”型

“十”型多旋翼氣動結(jié)構(gòu)是最早出現(xiàn)的布局之一。這種布局結(jié)構(gòu)相對簡單，只需通過改變橫豎軸向上的電機(jī)轉(zhuǎn)速，即可改變飛行器的運(yùn)動姿態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退和左右平移的基礎(chǔ)飛行。不過，隨著無人機(jī)航拍的興起和普及，采用“十”型布局的無人機(jī)在拍攝正面鏡頭時，螺旋槳會出現(xiàn)在畫面的視界里（俗稱“漏槳”），造成不便。隨著飛控的性能提升，該型布局逐漸被“X”型所替代。

四旋翼的“十”型布局最簡單，通常為無人機(jī)橫縱軸上各設(shè)一對電機(jī)臂。若電機(jī)臂數(shù)增加，則保證無人機(jī)縱軸（前進(jìn)后退方向）上的電機(jī)臂不變，其他電機(jī)臂以60°夾角（六旋翼）或45°夾角（八旋翼）平均分布即可。

3.“H”型

“H”型布局與“X”型氣動布局相似，但出現(xiàn)時間最晚。其優(yōu)點(diǎn)是可將電機(jī)臂設(shè)計(jì)成折疊結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步減小無人機(jī)的體積，便于日常攜帶。但是“H”型布局的缺點(diǎn)也很明顯，即相同級別下，“H”型布局的無人機(jī)需要更大尺寸的螺旋槳，才能達(dá)到同“X”型布局無人機(jī)一樣的飛行性能，這直接導(dǎo)致了整機(jī)的重量增加。

“X”型旋翼氣動布局與電機(jī)轉(zhuǎn)向示意圖

“十”型旋翼氣動布局與電機(jī)轉(zhuǎn)向示意圖

采用“H”型布局的無人機(jī)

采用八旋翼結(jié)構(gòu)的大型無人機(jī)

采用四旋翼結(jié)構(gòu)的消費(fèi)級無人機(jī)

五、多旋翼無人機(jī)常見分類

常見的無人機(jī)有四旋翼、六旋翼、八旋翼幾種。其中，四旋翼是一種結(jié)構(gòu)簡單、飛行效率較高的多旋翼結(jié)構(gòu)，也是目前市場上保有量最多的多旋翼無人機(jī)類型。但是，四旋翼無人機(jī)沒有動力冗余設(shè)計(jì)，在飛行中只要有一個電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，無人機(jī)都會出現(xiàn)失控的情況。六旋翼無人機(jī)相較于四旋翼無人機(jī)，增加了動力冗余，提高了飛行的安全性，即便出現(xiàn)電機(jī)停轉(zhuǎn)（不超過2個）的情況，仍然可以安全降落。而對于任務(wù)載荷要求較高的大型多旋翼機(jī)型，在設(shè)計(jì)時為增加飛行效率，通常會采用8個甚至16個旋翼的設(shè)計(jì)方式。

那么，旋翼的數(shù)量到底多少才是最好的？這個問題可以從以下幾方面綜合考慮。

1.穩(wěn)定性

對于多旋翼飛行器來說，飛行時能夠參與控制的量（電機(jī)數(shù)）越多，飛行控制越精細(xì)。此外，旋翼數(shù)越多，對動力系統(tǒng)故障的容錯率就越高，即飛行器擁有更多的動力備份，保證其在突發(fā)狀況下仍具有平穩(wěn)降落的能力。從這個角度看，八旋翼無人機(jī)的穩(wěn)定性無疑是最佳的。

2.設(shè)計(jì)難度

隨著旋翼數(shù)量的增加，每個旋翼間的距離會變小，可供設(shè)計(jì)布局的空間會減小。對于四旋翼無人機(jī)來說，其機(jī)臂的長短、選用螺旋槳的尺寸種類繁多，可根據(jù)飛行環(huán)境、任務(wù)需要進(jìn)行不同搭配。而八旋翼無人機(jī)為避免螺旋槳干涉，電機(jī)臂尺寸通常不能過短，但增加電機(jī)臂會增大整機(jī)重量，螺旋槳尺寸也不能設(shè)計(jì)得過小。另外，旋翼臂增加后，其很難設(shè)計(jì)成折疊的樣式，導(dǎo)致無人機(jī)占用空間更大，運(yùn)輸和存儲不便。這樣看來，四旋翼無人機(jī)的靈活性更高一籌。

綜上，對于無人機(jī)來說，應(yīng)根據(jù)其實(shí)際用途來選擇旋翼數(shù)。通常消費(fèi)級無人機(jī)更適合四旋翼結(jié)構(gòu)，而對載荷有一定要求的無人機(jī)，如植保無人機(jī)等，則可選擇六旋翼或八旋翼機(jī)構(gòu)。