多旋翼无人机基础知识

1、无人机，也称无人飞行器，英文Unmannedaerialvehicle(UAV)无人飞行器是一种配置了数据处理系统、传感器、自动控制系统和通讯系统等必要机载设备的飞行器。无人机技术是一项设计多个技术领域的综合系统，它对通讯技术、传感器技术、人工智能技术、图像处理技术模式识别技术、现代控制理论都有较深的运用和较高的要求。无人飞行器与它所配套的地面站测控系统、存储、托运、发射、回收、信息处理等维护保障部分一起形成了一套完整的系统，同城无人飞行器系统Unmannedaerialsystem(UAS)1.1无人机的种类疋異无人飞行器固定翼无人飞行器采用电动或者燃料发动机产生向前拉力或推力，飞行器依靠固

2、定翼的翼形上下边产生的大气动压强差产生的升力维持飞行器的控制。无人机种类I1'伞翼无人I飞行器;飞行器I1'"无人飞艇I:旋翼无人j飞行器/无人飞艇采用充气囊结构作为飞行器的升力来源，充气囊一般充有比空气目的小的氢气或氦气。旋翼无人飞行器，其配备有多个朝正上方安装的螺旋桨，由螺旋桨的动力系统动的动作而产生升力和向前的推力。伞翼无人飞行器采用伞型机翼作为飞行器升力的主要来源。1.2无人机的分类与管理在中国无人机驾驶航空器体系中，按照无人机的基本起飞重量指标可以分为四个等级1. 微型无人机，空机质量小于等于7千克2. 轻型无人机，空机质量大于7千克，但小于等于116千克，

3、并且全马力飞行中，矫正空速度100公里/小时，升限小鱼3000米3. 小型无人机，空机质量小于等于5700千克，除微型及小型无人机以外的其他无人机4. 大型无人机，空机质量大于5700千克的无人机中国的空域目前归属于军队管理，民用航空领域则由民航总局向军队申请划分空域及航道。民航总局针对私人飞行器的管理专设“中国航空器拥有者及驾驶员协会AircraftOwnersandPilotsAssociationOfChina-AOPA”，中国民航领域对飞行器主要管理分为三个层次等级进行管理。第一等级：室内飞行的无人机，视距内飞行的微型无人机，及非人口稠密区域的试验无人机，这等级的飞行器由拥有者自行管理

4、，自行负责。第二等级：视距外无人机，以及小鱼4600m'3以下的飞艇，这等级的无人机的飞行活动由AOPA协会来负责管理第三等级：第三等级即除第一、第二等级以外的其他所有飞行器活动，均由民航总局局方直接负责管理1.3 无人机与航空模型的区别关于无人机与航空模型的定义：航空模型：航空模型是一种重于空气的，有尺寸限制的带有或不带有发动机的，课遥控的不载人的航空器无人机：利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器；两者之间的区别：无人机：带有自主控制，系统稳定的模型飞行器，带有智能控制、姿态稳定系统的飞行器。无人机分属的管理体系为-AOPA航空模型：比例遥控器直接控制的飞行器，不

5、带有任何智能控制、姿态稳定系统的模型飞行器，只在视距内飞行控制的设备。航空模型是属于一种专业体育运动；航空模型活动的管理和组织主要是由国家体育总局直属单位，国家体育总局航空无线电模型运动管理中心的中国航空运动协会AeroSportsFederationOfChina-ASFC1.4 多旋翼无人机发展历史多旋翼无人机发展历史：其多旋翼无人机的最早可以追溯到20世纪初飞机刚刚发明的时代。虽然在近5年多旋翼的技术无论在技术本身还是在应用方面都呈现出爆发式发展态势，然而仅仅在10年前还是处于起步复兴时代；得益于电子技术、微机械技术以及计算机技术的迅猛发展。多旋翼无人机的发展历可简要分为：1 ：1903

6、年12月17日，美国莱特兄弟实现了人类第一次的载人飞行器的飞行2 :1907年，发过飞机制造工程师Breguet兄弟在CharlesRichet教授的指导下，设计了第一款实际的旋翼直升机Breguet-RichetGyroplane3 :1920年，法国工程师EtienneOehmichen设计并制造了多旋翼的飞行器,经过一系列实验，于1923年实现飞行并创造了直升机领域的世界纪录-留空时间达到14分钟4 :1956年3月在长岛，D.H.Kaplan吸收了Oemichen的设计理念，第一次采用H型的四旋翼排列设计的四旋翼载人飞行器ConvertawingsModel"A"5

7、 :90年代初，随着电机小型化技术、半导体技术的成熟，基于MEMS微电机技术的惯性导航系统研制出来，多旋翼飞行器小型化成为了可能1.5 多旋翼无人机的组成1.5.1 机架系统多旋翼无人机无论大小尺寸，其都包含了一些基本的构建组成；在此基础上再根据各自不同的运用场景和任务以及特性等额外增加辅助设备以及任务载荷。机架是指多旋翼飞行器的机身架，是整个飞行系统的飞行载体。为了减轻飞行器的机身重量，一般飞行器会使用高强度重量比较轻的材料；如：碳纤维材料等。对于DIY爱好者来说通用的机架为F450、F550、F700、F330等，一般数字表示机架的对角线的距离，单位是毫米；尽管机架的形态各式各样，但是有几

8、个必须的部件：中心板（HUB）机臂脚架1.5.2动力系统动力系统主要包含了桨叶和电机；对于飞行器来说动力系统的来源分为电动和油动；其常用的为电动配备电磁系统。电动无人机的电机是将电能转换成机械能，带动旋翼旋转；其中电机一般分为有刷直流电机与无刷直流电机。有刷直流电机：将磁铁固定在电机外壳或者底座，成为定子。然后将线圈绕组，成为转子，模型车用有刷电机常见都是3组绕线。有刷电机采用内部集成了电刷进行电极换相，保持电机持续转动。空心杯一般用在微型四周无人机上。空心杯电机主要特点是功耗低、灵敏、转子电感小、转速稳定、响应好、效率较高、最大效率可达70%甚至90%以上。空心杯电机的型号一般用数字表示，即

9、机身的直径和高度。例如820电机表示8*20mm，即直径8mm,高20mm。有刷直流电机（空心杯）无刷直流电机：无刷直流电机,顾名思义,是不带电刷的,由于省去了电刷,使得没有了电刷损耗,也没有了有刷电机运转时产生的电火花,极大降低了电磁打火对机载电子设备的干扰。无刷直流电机采用绕组作为定子,而转子由永磁铁构成。无刷直流电机由于没有电刷,噪音低,运转顺畅,且工作寿命长,维护成本低。并且由于无刷直流电动机是以自控式运行,所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组,因此不会在负载突变时产生震荡和失步无刷直流电机1.5.2 动力系统电机主要参数：尺寸：一般用4个数字表示,其中前面2

10、位是电机转子的直径,后面2位是电机转子的高度标称空载KV值：无刷电机KV值定义为“转速/伏特”，意思为输入电压增加1伏特，无刷电机空转转速增加的转速值标称空载电流和电压：在空载试验时，对电动机施加标称空载电压，使其不带任何负载空转，定子三相绕组中通过的电流，称为标称空载电流最大电流值：最大电流是指在电机正常运行情况下，所能承受的电流的一个极限值内阻：电机电枢本身存在内阻，虽然该内阻很小，但是由于电机电流很大有时甚至可以达到几十安培，所以该小内阻不可忽略1.5.2 动力系统动力系统的组成中另外一个非常重要的部分就是螺旋桨，螺旋桨通过自身旋转将电机转动功率转换为动力的装置；在多旋翼飞行器上，为了抵

11、消电机的反扭矩，不同的轴旋转方向不同，一般相邻两个周的电机旋转方向相反，为了无论正反旋转都产生向上的升力；因此需要配置两种不同的桨叶正桨，反桨螺旋桨的主要参数：螺距：螺旋桨的螺旋每旋转一周，向前推进的距离桨叶数：桨叶数量分为双叶桨和三叶桨，一般双叶桨直径较大，三叶桨直径较小安全转速：因为多旋翼所使用的螺旋桨都具有一定柔韧性，所以超过一定转速后，螺旋桨会产生变形，电机转动能效率降低。也尼龙柔叶4<b)碳纤舉桨叶4(t)欣暂三叶桨屮1.5.3动力电源和充电系统：电动多旋翼飞行器上由于电机的工作电流非常大，需要采用能够支持高放电电流的动力可充电锂电池供电，放电电流的大小通常使用放电倍率来表示，

12、即为C值锂离子电磁的充放电倍率，决定了可以以多块的速度将定量的能力存储到电池里面，或以多块的速度将电池中的能量释放出来。例如：容量5000mAh的电池如果最大放电倍率为20C，则其最大放电电流为5000mA*20C=100A1.5.4电子调速器电子调速器electronicspeedcontroller,简称ESC，使用飞控输出的PWM弱电信号，为无刷电机提供可控的动力电流输出。飞控板提供的控制信号电的驱动能力无法直接驱动无刷电机,它需要通过电调最终控制电机的转速电子调速器的主要参数有：电流：无刷电调最主要的参数是电调的电流,通常以安培来表示,如10A、20A、30A更具体地，无刷电调有持续电

13、流和X秒内瞬时电流两个重要参数，前者表示正常时的电流，而后者表示X秒内的容忍的最大电流内阻：电调具有相应内阻，其发热功率需要得到注意。有些电调电流可以达到几十安培，发热功率是电流的平方的函数，所以电调的散热性能也十分重要，因此大规格电调内阻一般都比较小。1.5.5飞行控制系统无人旋翼机系统与定翼机系统最大区别就是旋翼机本身是一个不稳定系统，如果对系统没有任何输入控制的情况下，系统会逐渐发散导致不稳定，乃至坠机，相比定翼机本身是一个天然的稳定系统，没有任何系统和控制输入的时候，系统也能够自行的天然保持稳定飞行。飞行控制系统是飞行器的控制中枢，其核心主要是一颗CPU，采用微处理器作为处理中枢，在通

14、过串行总线（SPI、I2C、UART等）拓展连接高精度传感器，主要有陀螺仪、加速度计、气压计、GPS、指南针模块以及控制电缆等算法以及导航算法，按照一定的控制输入信号，实现精准的定位悬停和平稳飞行等运动。1.5.6遥控器和遥控接收机：遥控器：遥控器是负责将地面操控人员的控制指令传输到机载飞控上。微型航模级别的无人机一般选用便携式的比例遥控器，这类遥控器特点是轻便、易于使用、操作简单，但是遥控距离较短，适合目视距离的操控。遥控器接收机：接收来自地面操控人员的控制指令，然后将该指令发送到飞控控制核心上，实现数据交互的作用比例遥控发射电路工作原理：例遥控发射电路的工作原理是通过操纵发射机上的手柄，将

15、电位器阻值的变化信息采样并送入编码电路。编码电路将其转换成一组脉冲编码信号，这组脉冲编码信号可以采用PPM调制信号或者PCM调制信号两种调制方式。这组脉冲再经过高频调制电路载波调制，再经过高频放大电路发射出去。目前比例遥控设备中最常用的信号编码方式有两种PPM调制信号PPM调制脉冲位置调制Pulse-positionmodulation,也叫脉位调制，这种调制采用脉冲信号的宽度位置来表示舵量，每个通道由8个型号脉冲组成，脉冲个数不变,脉冲宽度相同,只是脉冲的相位不同,由相位来代表所传递的编码信息PCM调制信号PCM调制，脉冲编码调制Pulsecodemodulation,也叫脉码调制，这种调制

16、是将若干通道的舵量大小以二进制数字来进行编码，形成数据帧。PCM的编码通常可以使用模/数（A/D）和数/模（D/A）转换技术来实现。在这里，每一个通道都是由8个信号脉冲组成。其脉冲个数永远不变，只是脉冲的宽度不同。宽PCM编码优势1、具有很强的抗干扰能力2、解码电路中的单片机就会自动将与“0”或“1”脉冲宽度不相同的干扰脉冲自动清除3、如果干扰脉冲噪声与“0”或“1”脉冲的宽度恰好近似或者将逻辑“0”脉冲干扰变形成逻辑“1”脉冲，解码电路的单片机也可以通过信道数据检验校核的方式，将其滤除4、方便的利用计算机编程射频调试方式最常用的射频调制方式即射频调制方式也有两种，FM调频和AM调幅。比较常见

17、的组合是PPM/AM脉位调制编码/调幅、PPM/FM脉位调制编码/调频、PPM/FM脉冲调制编码/调频三种形式。便携遥控器的通信链路射频由无线电管理委员会管理和分配，占用可用的开放民用频段为72MHz、2.4GHz和5.8GHz。遥控器的主要参数包含：通道数即遥控的控制通道路数，一般至少要求4通道（即油门，航向，俯仰，横滚），需要进行模式切换时，增加开关通道频点即遥控信号的射频载波频率,主要由72M，2.4G和5.8G,般以2.4G为多美国手/日本式即油门位置，美国手表示左手控制油门，日本手表示右手控制油门遥控距离，一般400米，但操控手在100米以上基本看不清飞行器姿态，很难控制1.5.7遥测链路数传系统：无人机的遥测链路主要用于地面控制人员对无人机实时飞行状态的感知与定位遥测链路由数传模块和地面站两部分组成。数传模块包含机载收发模块和地面站收发模块3DR公司针对数传系统推出了3DRRadioTelemetry模块，是比较常用的通信数传模块。模块支持MAVLink协议传输和状态报告，以及无线透传。它的机载端使用标准的TTL串行通