2024/5/283多旋翼由哪些基本部件組成？2024/5/2841.總體介紹2.機(jī)架3.動(dòng)力系統(tǒng)4.指揮控制系統(tǒng)5.本講小結(jié)2024/5/285機(jī)架機(jī)身機(jī)臂起落架動(dòng)力系統(tǒng)螺旋槳螺旋槳指揮控制系統(tǒng)遙控器GPS接收機(jī)遙控接收機(jī)數(shù)傳電臺(tái)地面站2024/5/286自駕儀（飛控）云臺(tái) 移動(dòng)地面站 攝像機(jī) 電量報(bào)警器自駕儀（飛控）云臺(tái) 移動(dòng)地面站 攝像機(jī) 電量報(bào)警器 1 鋰電池PPM解碼器遙控器接收機(jī)PPM解碼器 蜂鳴器1 遙控器1GPS+磁羅盤(pán)數(shù)傳發(fā)射數(shù)傳發(fā)射安全開(kāi)關(guān)安全開(kāi)關(guān)數(shù)傳接收?qǐng)D2.2:多旋翼內(nèi)部布局，圖片主體來(lái)源于網(wǎng)站ar2024/5/287機(jī)身是承載多旋翼所有設(shè)備的平臺(tái)。多旋翼的安全性、可用性以及續(xù)航性能都和機(jī)身的布局密切機(jī)身是承載多旋翼所有設(shè)備的平臺(tái)大疆“御”2024/5/288機(jī)身的重量主要取決于其尺寸和材料。由于在相同軸距是用來(lái)衡量多旋翼尺寸的重要參數(shù)，它通常被定義為外圈電機(jī)組成圓周的直徑。2024/5/2892024/5/284）材料（參考/showwiki.php?title=Frame-Materials）碳纖維1699737677（a）剛度。彈性模量表示是材料在彈性變形階段，其應(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)系；形變?cè)诫y改變，剛度越大（b）強(qiáng)度?？估瓘?qiáng)度就是試樣拉斷前承受的最大標(biāo)稱(chēng)拉應(yīng)力2024/5/281）支撐多旋翼重力2）避免螺旋槳離地太近，而發(fā)生觸碰3）減弱起飛時(shí)的地效4）消耗和吸收多旋翼在著陸時(shí)的撞擊能量2024/5/28在一個(gè)流體在一個(gè)流體系統(tǒng)，流速越快，流體產(chǎn)生的壓力1）保護(hù)槳葉和人身安全2）提高槳葉拉力效率3）減少噪音工作原理為：當(dāng)螺旋槳工作時(shí)，進(jìn)風(fēng)口內(nèi)壁空氣速度快靜壓小，而進(jìn)風(fēng)口。擴(kuò)散段長(zhǎng)度和螺旋槳直徑是影響涵道性能的主要參數(shù)，關(guān)于設(shè)計(jì)可參考[1][1]HrishikeshavanV,BlackJ,ChopraI.Designandperformanceofaquad-shroudedrotormicroairvehicle.JournalofAircraft,2014,51(3):779-791.2024/5/28機(jī)、電調(diào)以及電池。性能，例如懸停時(shí)間、載重能力、飛行速度和飛行距離等等。匹配與兼容，否則很可能無(wú)法正常工作，甚至在某些極端情況下突然失效導(dǎo)致事故發(fā)生2024/5/281）螺旋槳是直接產(chǎn)生多旋翼運(yùn)動(dòng)所需的力與力矩的部件2）合適的螺旋槳對(duì)提高多旋翼性能和效率有著直接的影響2024/5/28?假設(shè)螺旋槳在一種不能流動(dòng)的介質(zhì)中旋轉(zhuǎn)，那么螺旋槳每轉(zhuǎn)一圈，就會(huì)向前進(jìn)一個(gè)距離，就稱(chēng)為螺距或槳距（PropellerPitch）。APC1045MR螺旋槳示意圖2024/5/28圖2.6:不同槳葉數(shù)螺旋槳實(shí)物圖較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以提升電機(jī)的響應(yīng)速度，從而提升多旋翼的性能。?有實(shí)驗(yàn)表明[2,p.65]，二葉槳的力效會(huì)比三葉槳稍高一些?最大拉力相同的前提下，二葉槳直徑要比三葉[2]AaronMHarrington.Optimalpropulsionsystemdesignforamicroquadrotor[Masterdissertation].UniversityofMaryland,USA,2011.2024/5/28TMOTOR30x10TT50454035302520532x11CF-MOTOR29x9.5CF3-.TMOTOR30x10TT50454035302520532x11CF-MOTOR29x9.5CF3-.-MOTOR8642T-T-T-MOTOR29xMOTOR30x9.5CF3-BladeMOTOR32x.11CFT-T-T-MOTOR29xMOTOR30x9.5CF3-BladeMOTOR32x.11CF50%60%70%80%90%100%(a)T-MOTORU12KV90拉力-油門(mén)曲線(xiàn)圖(b)T-MOTORU12KV90放電時(shí)間-拉力曲線(xiàn)圖2024/5/28?進(jìn)行靜平衡和動(dòng)平衡的目的是減少振動(dòng)?螺旋槳靜平衡是指螺旋槳重心與軸心線(xiàn)重合時(shí)的平衡狀態(tài)；而螺旋槳?jiǎng)悠胶馐侵嘎菪龢匦呐c其慣性中心重合時(shí)的平衡狀態(tài)?出現(xiàn)不平衡的情況時(shí)，可以通過(guò)貼透明膠帶到輕的槳葉，或用砂紙打磨偏重的螺旋槳平面（非邊緣）來(lái)實(shí)現(xiàn)平衡。振動(dòng)使航拍圖像質(zhì)量變差2024/5/28多旋翼的電機(jī)主要以無(wú)刷直流電機(jī)為主，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。2024/5/2820?這是一個(gè)外轉(zhuǎn)子電機(jī)，轉(zhuǎn)子上有一對(duì)永磁鐵，定子上有如圖展示的的工作原理在于永磁鐵磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)相互作用，吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。場(chǎng)重合時(shí)，線(xiàn)圈B通電，產(chǎn)生了新的電磁場(chǎng)。這時(shí)轉(zhuǎn)子繼續(xù)被吸引。當(dāng)永磁鐵磁場(chǎng)到達(dá)線(xiàn)圈B附近時(shí)，線(xiàn)圈C通電。然后永磁鐵磁場(chǎng)到達(dá)線(xiàn)圈C附近時(shí)，線(xiàn)圈A通電。周期性的對(duì)而周而復(fù)始地驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。2024/5/2821RS22052300KV3660-1700KVRS22052300KV3660-1700KV成22×12）電機(jī)，前兩個(gè)數(shù)字代表定子直徑（單位mm后兩個(gè)數(shù)字代表定子高度（單位mm因此2212電機(jī)表示電機(jī)定子直徑是22mm，定子高度?無(wú)刷直流電機(jī)的KV值指的是空載情況下，外加1V電壓得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速值?大型螺旋槳可以選用KV值較小的電機(jī)，而小型螺旋槳可以選用KV值較大2024/5/2822在空載（不安裝螺旋槳）試驗(yàn)中，推薦多旋冀重量≤620gx軸數(shù)定子瓶StatorThickness定子厚度No.ofStatorArms定子槽數(shù)No.ofStatorPoles定子極數(shù)MotorKv電機(jī)KV空載電流MotorResistance電機(jī)電阻MaxContinuousCurrent最大連續(xù)電流MaxContinuousPower最大連續(xù)功率Weight重量（含長(zhǎng)線(xiàn)）OutsideDiameter轉(zhuǎn)子直徑出軸直徑BodyLength電機(jī)長(zhǎng)度電機(jī)含軸總長(zhǎng)度最大電池節(jié)數(shù)建議使用電調(diào)RecommendedProp(inch)推薦螺旋槳規(guī)格對(duì)電機(jī)施加空載電壓（通常為10V）時(shí)測(cè)得的電機(jī)電流被稱(chēng)為空載電流。最大峰值（瞬時(shí)）電流/功率：電機(jī)能承受的最大瞬時(shí)通過(guò)的電流/功率；最大連續(xù)（持續(xù)）電流/功率：電機(jī)能允許持續(xù)工作（規(guī)定時(shí)間）而不燒壞的最大連續(xù)電流/功率可以達(dá)到幾十安培，所以該小內(nèi)阻不可忽略2024/5/2823電機(jī)效率是評(píng)估性能的一個(gè)重要參數(shù)總力效的計(jì)算方式如下：=螺旋槳力效×電機(jī)效率2024/5/28242024/5/2825ElectronicSpeedControl，簡(jiǎn)稱(chēng)ESC。1）電調(diào)最基本的功能就是電機(jī)調(diào)速2）為遙控接收器上其它通道的舵機(jī)供電3）充當(dāng)換相器的角色4）電調(diào)還有一些其它輔助功能控制設(shè)備2024/5/2826PUSH18A，BEC2A/5VDC：5.6V-16.8VSK-30A，PUSH18A，BEC2A/5VDC：5.6V-16.8VDC：2-4LiPo/5-1230A。不同電機(jī)需要配備不同安數(shù)的電調(diào)，安數(shù)不足會(huì)導(dǎo)致電調(diào)甚至電機(jī)燒?最大持續(xù)電流指的是在正常工作模式下的持續(xù)輸出電流?峰值電流指的是電調(diào)能承受的最大瞬時(shí)電流。電調(diào)能夠正常工作所允許輸入的電壓范圍也是非常重要的參數(shù)。一般在電調(diào)說(shuō)明書(shū)上可以看到標(biāo)注例如“3-4SLiPo”字樣，表示這個(gè)電調(diào)適用于3到4節(jié)電芯串聯(lián)的鋰聚合物電池，也就是說(shuō)它的電壓范圍為11.1V?14.8V。2024/5/2827電調(diào)具有相應(yīng)內(nèi)阻，其發(fā)熱功率需要得到注意。有些電調(diào)電流可以達(dá)到幾十安培，發(fā)熱功率是電流的平方的函數(shù)，所以電調(diào)的散熱性能也十分重要，因此大規(guī)格電調(diào)內(nèi)阻一般都比較小。電機(jī)的響應(yīng)速度與電調(diào)的刷新速率有很大關(guān)系。在多旋翼開(kāi)始發(fā)展之前，電調(diào)多為航模飛機(jī)而設(shè)計(jì)，航模飛機(jī)上的舵機(jī)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作頻率最大為50Hz。相應(yīng)地，電調(diào)的刷新速率也都為50Hz。多旋翼與其它類(lèi)型飛機(jī)不同，不使用舵機(jī)，而是由電調(diào)直接驅(qū)動(dòng)，其響應(yīng)速度遠(yuǎn)2024/5/2828通過(guò)內(nèi)部參數(shù)設(shè)置，可以達(dá)到最佳的電調(diào)性能。通常有三種方式可對(duì)電調(diào)參數(shù)進(jìn)行?可以通過(guò)編程卡直接設(shè)置電調(diào)參數(shù)?通過(guò)USB連接，用電腦軟件設(shè)置電調(diào)參數(shù)如果電機(jī)和電調(diào)兼容性不好，那么會(huì)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，即電機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)了2024/5/28291）方波驅(qū)動(dòng)方波是數(shù)字信號(hào)，控制元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，電路簡(jiǎn)單容易控制發(fā)熱小等正弦驅(qū)動(dòng)在運(yùn)行平穩(wěn)性、調(diào)速范圍、減振減噪方面優(yōu)于方波驅(qū)動(dòng)。目前可采用光電編碼器、霍爾傳感器或者基于觀(guān)測(cè)器的方法測(cè)量轉(zhuǎn)子角度。因?yàn)槎嘈黼姍C(jī)始終工作在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，可以基于觀(guān)測(cè)器的方法進(jìn)行矢量調(diào)制，節(jié)約成本。2024/5/28電池主要用于提供能量。目前航模最大的問(wèn)題在于續(xù)航時(shí)間不夠，其關(guān)鍵就在于電池容量的大小?，F(xiàn)在可用來(lái)做航模動(dòng)力的電池種類(lèi)很多，常見(jiàn)的有鋰聚合物電池（LiPo）和鎳氫電池（NiMh），主要源于其優(yōu)良的性能和便宜的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。2024/5/28?鋰電池組包含兩部分：電池和鋰電池保護(hù)線(xiàn)路。?單節(jié)電壓3.7V，3S1P表示3片鋰聚合物電池的串聯(lián)，電壓是11.1V，其中：S是串聯(lián)，P表示并聯(lián)。又如2S2P電池表示?不僅在放電過(guò)程中電壓會(huì)下降，而且由于電池本身具有內(nèi)阻，其放電電流越大，自身由于內(nèi)阻導(dǎo)致的壓降就越大，所以輸出的電壓就越小。2024/5/28?電池的容量是用毫安時(shí)來(lái)表示的。5000毫安時(shí)的電池表示該電池以5000毫安的電流放電可以持續(xù)一小時(shí)。但是，隨著放電過(guò)程的進(jìn)行，電池的放電非是線(xiàn)性關(guān)系。?在實(shí)際多旋翼飛行過(guò)程中，有兩種方式檢測(cè)電池的剩余容量是否滿(mǎn)足飛行輸出電流做積分計(jì)算。?注意：?jiǎn)坞娦境錆M(mǎn)電電壓為4.2V，放電完畢會(huì)降至3.0V(再低可能過(guò)放導(dǎo)致電池?fù)p壞)，一般無(wú)人機(jī)在低于3.6V之前會(huì)電量報(bào)警2024/5/28一般充放電電流的大小常用充放電倍率來(lái)表示，即充放電倍率=充放電電流/額定容量?電池放電倍率是表示放電快慢的一種量度，越大表明放電越快。所用的電。容量5000毫安時(shí)的電池最大放電倍率為20C，其最大放電電流為?鋰聚合物電池一般屬于高倍率電池，可以給多旋翼提供動(dòng)力。?放電電流不能超過(guò)其最大電流限制，否則可能燒壞電池2024/5/28?歐姆內(nèi)阻主要是指由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成，與電池的尺寸、結(jié)構(gòu)、裝配等有關(guān)。?電池的內(nèi)阻不是常數(shù)，在充放電過(guò)程中隨時(shí)間不斷變化，不是線(xiàn)性關(guān)系。常隨著電池狀態(tài)和使用壽命變化而變化。。?電池的內(nèi)阻很小，我們一般用毫歐的單位來(lái)定義它。正常情況下，內(nèi)能量密度指在一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲(chǔ)存能量的大小2024/5/28遙控器發(fā)送飛控手的遙控指令到接收器上，接收機(jī)解碼后傳給飛控制板，進(jìn)而多旋翼根據(jù)指令做出各種飛行動(dòng)作。遙控器可以進(jìn)行一些飛行參數(shù)的設(shè)能定義，飛機(jī)時(shí)間記錄與提醒，撥桿功能設(shè)定。高級(jí)功能有航?；貍鞯碾姵?024/5/28左邊圖片定義是針對(duì)固定翼的日本手定義。與多旋翼美國(guó)手對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：偏航，偏航運(yùn)動(dòng)俯仰，前后運(yùn)動(dòng)2024/5/28?常用的無(wú)線(xiàn)電頻率是72MHz與2.4GHz，目前采用的最多的是2.4GHz遙控?2.4GHz技術(shù)屬于微波領(lǐng)域，有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：頻率高、同頻幾率小、功耗低、體積小、反應(yīng)迅速、控制精度高。模型與發(fā)射機(jī)之間有很大的障礙物（如房屋及倉(cāng)庫(kù)等）。2024/5/28又稱(chēng)脈碼調(diào)制。PPM是英文PulsePositionModulation的縮寫(xiě)，中文意思是：脈沖位置調(diào)制，又稱(chēng)脈位調(diào)制，前者指的是信號(hào)脈沖的編碼方式，后者指的是高頻電路的調(diào)制方式。?PCM編碼的優(yōu)點(diǎn)不僅在于其很強(qiáng)的抗干擾性，而且可以很方便的利用計(jì)算PPM比例遙控設(shè)備實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，但較容易受干擾。2024/5/28俯仰偏航蕁偏航：控制機(jī)頭轉(zhuǎn)向，對(duì)應(yīng)固定翼方向舵滾轉(zhuǎn)：控制左右運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)固定翼副翼油門(mén)：控制上下運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)固定翼油門(mén)桿俯仰：控制前后運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)固定翼升降舵滾轉(zhuǎn)俯仰偏航蕁偏航：控制機(jī)頭轉(zhuǎn)向，對(duì)應(yīng)固定翼方向舵滾轉(zhuǎn)：控制左右運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)固定翼副翼油門(mén)：控制上下運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)固定翼油門(mén)桿俯仰：控制前后運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)固定翼升降舵滾轉(zhuǎn)油門(mén)俯仰油門(mén)滾轉(zhuǎn)偏航一個(gè)通道對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的動(dòng)作，一般有六通道、十通道等。多旋翼在控制美國(guó)手和日本手就是遙控桿對(duì)應(yīng)的控制通道的設(shè)置不同。美國(guó)左手操作桿是“油門(mén)+偏航”，右手為“俯仰+滾轉(zhuǎn)”。日本手則是左手“俯仰+偏航”，右手“油門(mén)+滾轉(zhuǎn)”。目前，國(guó)內(nèi)多旋翼操控以美國(guó)手遙控器為主。2024/5/2840?油門(mén)桿不會(huì)自動(dòng)回中，最低點(diǎn)為0%油門(mén)，油門(mén)主要對(duì)應(yīng)的是期望的推力的大小,稱(chēng)直接式油門(mén)。?還有一種油門(mén)是松手油門(mén)自動(dòng)回中，屬于增量式油門(mén)。根據(jù)功率不同，遙控器控制的距離也有所不同。遙控器上也可以使用帶有功率放大（PowerAmplifier，PA）模塊，帶有鞭狀天線(xiàn)，可以增2024/5/2841針對(duì)遙控器，目前也有開(kāi)源項(xiàng)目，可參見(jiàn)網(wǎng)站?/?/?/arduinorc/?這樣用戶(hù)可以根據(jù)自己的需求定制自己的遙控器。422024/5/2842多旋翼自動(dòng)駕駛儀，分為軟件部分和硬件部分。包括：1）全球定位系統(tǒng)（GPS）接收器；2）慣性測(cè)量單元（IMU），包括三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、電子羅盤(pán)（或），3）氣壓計(jì)和超聲波測(cè)距模塊；4）微型計(jì)算機(jī)；2024/5/28431）感知。導(dǎo)航就是解決“多旋翼在哪”的問(wèn)題。如何發(fā)揮各自傳感器優(yōu)勢(shì)，得到準(zhǔn)確的位置和姿態(tài)信息，是自駕儀飛控要做的首要的事情。對(duì)應(yīng)第七、八、九講2）控制?？刂凭褪墙鉀Q“多旋翼怎么去”的問(wèn)題。首先得到準(zhǔn)確的位置和姿態(tài)信息，之后根據(jù)任務(wù)，通過(guò)算法計(jì)算出控制量，輸出給電調(diào)，進(jìn)而控3）決策。決策就是解決“多旋翼去哪兒”的問(wèn)題。去哪兒可能是操作手決定的，也可能是為了安全，按照規(guī)定流程的緊急處理方案。對(duì)應(yīng)第十三、2024/5/2844Ardupilot/https://pixhawk.ethz.ch/http://www.mikrokopter.dehttp://www.kkmulticopter.kr/http://www.multiwii.coAeroquad/https://www.bitcraze.io/category/crazyflie//////index.php/MegaPirateNG/p/megapirateng2024/5/2845/http://www.flexbot.cc/Dronecode(開(kāi)源無(wú)人機(jī)航空操作系統(tǒng))/Percepto(無(wú)人機(jī)開(kāi)源視覺(jué)平臺(tái))http://www.percepto.co/ParrotAPI(開(kāi)放SDK)/embedded/ardrone-api/index.html3DRDRONEKIT(SDK)http://www.dronekit.io/DJIDEVELOPER(SDK)DJIMATRICE100+DJIGuidan/cn/matrice-100//en/xmission/developer/2024/5/2846APM(Ardupilot)8——————N/AaN/AaAeroquadN/AaN/Aa注：a:無(wú)法確定。因?yàn)镸ultiwii和Aeroquad支持動(dòng)態(tài)硬件配置，因此尺寸與結(jié)構(gòu)相關(guān)。b:飛控板是基于A(yíng)rduino開(kāi)發(fā)，因此實(shí)際用的處理器可改變。表中內(nèi)容部分參考了文獻(xiàn)LimH,ParkJ,LeeD,etal.Buildyourownquadrotor:Open-sourceprojectsonunmannedaerialvehicles.IEEERobotics&AutomationMag