《无人机事故现场航拍技术》课件-第7讲 多旋翼基础知识VIP

第七讲多旋翼基础知识第七讲多旋翼基础知识CONTENTS目录123飞行原理飞行性能空气动力学基础4无人机发射回收方式5多旋翼基础知识多旋翼基础知识多旋翼概念每个轴上连接1个电调/1个电机电动机转动带动旋翼产生升推力多旋翼飞行器多轴飞行器具有三个及以上旋翼轴特殊直升机多旋翼系统组成多旋翼基础知识多旋翼飞行器系统机体结构飞控系统动力系统机载链路系统机体结构机体结构其他所有机载设备、模块的载体机架、支臂、脚架、云台典型机体结构多旋翼基础知识多旋翼概念装载设备/动力电池/燃料其他结构部件的安装基础机架延伸,扩充轴距安装动力电机部分脚架安装在支臂上机架支臂多旋翼基础知识多旋翼概念任务设备承载结构支撑停放/起飞/着陆部件云台脚架多旋翼基础知识飞控系统飞控(导航飞控系统)多轴飞行器飞控包含飞控子系统和导航子系统机载导航飞控系统又称自动驾驶仪多旋翼基础知识外环角速度传感器姿态传感器加速度计空速传感器导航子系统（按航线飞行）飞控子系统(姿态稳定与控制)位置传感器(GPS)高度计飞行姿态执行机构|桨内环飞控计算机多旋翼基础知识飞控系统—飞控硬件多旋翼飞控系统全部集成在一块电路板飞控板飞控板集成全部传感器多旋翼基础知识飞控系统—飞控硬件3轴角速度陀螺仪3轴加速度计3轴磁力计高度计空速传感器GPS接收机计算单元飞控板可集成多旋翼基础知识飞控系统—IMU惯导传感器IMU惯性导航传感器DOF(DegreeOfFreedom,自由度)系统核心为多旋翼提供姿态/速度/位置参数全称“惯性测量单元”测量物体三轴姿态/角速率及加速度多旋翼基础知识飞控系统—GPS接收机GPS接收机获取位置信息多轴飞行器GPS定位最少4~5星保证基本安全GPS天线尽量安装在飞行器顶部多轴飞行器利用GPS实现位置感知多旋翼基础知识飞控系统—磁力计多旋翼基础知识磁力计为多旋翼提供角度信息功能等同于指南针飞控系统—磁力计多旋翼基础知识前提:多轴飞行器无机械结构改变如发生漂移、不能直线飞行远距离转场、尤其东西方向校准磁罗盘飞控系统—飞控软件多旋翼基础知识飞控基本情况优点缺点KK飞控开源，只使用三个成本低廉的单轴陀螺价格便宜，硬件结构简单功能简单，无自稳、定高不能姿态控制,无GPSAPM飞控开源，配有地面站软件可实现自稳、定高姿态控制调试复杂MWC飞控开源，配有地面站软件成本低，架构简单性能不及APM、PIXHawkDJINAZA飞控不开源，稳定，商业软件功能全，控制稳定价格昂贵PX4和PIXHawk开源，配有地面站软件固件代码结构好利于开发代码不如APM成熟多旋翼基础知识飞控系统—飞控软件多旋翼基础知识动力系统多旋翼无人机动力系统组成螺旋桨电机电调电池多旋翼基础知识动力系统—螺旋桨螺旋桨安装在电机上提供升力装置是一个旋转翼面适用空气动力学原理多旋翼基础知识动力系统—螺旋桨产生升力大小桨叶平面形状螺旋桨叶迎角电机的转速多轴飞行器常用剖面凹凸型接近于固定翼飞机螺旋桨多旋翼基础知识桨叶旋转时桨尖线速度大于桨根线速度毂轴到桨尖产生一致升力桨叶设计负扭转桨根处迎角大于桨尖处迎角桨根处升力系数大于桨尖处多旋翼基础知识动力系统—螺旋桨多旋翼无人机选用两叶桨同一架多轴飞行器同样做好动力匹配两叶桨效率高前提多旋翼基础知识动力系统—螺旋桨三叶桨动力强劲需抵消更多旋转阻力效率比两叶低两叶桨效率高，体现在飞行时间三叶桨多旋翼基础知识动力系统—螺旋桨主要指标桨径和桨距/螺距、总距

前两位代表桨直径单位:英寸,1英寸=25.4毫米后两位代表桨距型号可表述为1045桨长254毫米,

螺距114毫米示例多旋翼基础知识动力系统—螺旋桨

为抵消单个螺旋桨反扭矩正桨：顶视逆时针旋转，CCW反桨：顶视顺时针旋转，CW各桨旋转方向不同,需正、反桨多旋翼基础知识动力系统—电机多轴飞行器为电动系统主用外转子三相交流无刷同步电动机电动系统形式简单电机速度响应快多旋翼基础知识多轴飞行器使用交流电机三根线和电调连接从电调取电想要电机反向旋转其中两根互换动力系统—电机多旋翼基础知识无刷电机去除电刷运转时摩擦力减小效率较有刷电机更高动力系统—电机无刷电机多旋翼基础知识4108外转子无刷电机(KV480)大小尺寸4108：定子直径41mm,定子高度08mm电压增加1V,每分钟空转增加的转速值KV值转速3000转:每分钟3000转转速动力系统—电机多旋翼基础知识电机与螺旋桨匹配电机/螺旋桨/多旋翼整机匹配动力系统—电机问题采用经验配置选布局—选桨—选电机—选电调—选电池大螺旋桨用低KV电机,小螺旋桨高KV电机小螺旋桨需用转速来弥补升力多旋翼基础知识采用经验配置选择动力冗余配置六/八轴飞行器具有一定冗余度当某个电机发生故障时将对角电机做出类似停止仍保留动力完成降落/返航多旋翼基础知识动力系统—电调电子调速器ESC(电调)根据飞控控制信号电池直流输入转变一定频率交流输出用于控制电机转速划分:有刷电调和无刷电调多轴飞行器多用无刷电调多轴飞行器电调多旋翼基础知识动力系统—电调最粗红线和黑线连接动力电池较细白红黑3色排线(杜邦线)连接飞控另一端3根单色线连接电机任意调换其中2根与电机连接顺序电机反向运转电调多旋翼基础知识多轴飞行器电机、电调匹配/测试输出驱动交流相位与电机设计不匹配造成堵转，导致严重后果动力系统—电调难题多旋翼基础知识常规飞行和小负载不兼容表现不明显大机动外界气流对转速干扰过大人工快速调节油门杆瞬间一或多个电机驱动缺相失去动力直接炸机多旋翼基础知识完全杜绝和排除问题比较困难小尺度多旋翼几乎100%开环结构无法检测每个电机是否转速正常动力系统—电调多旋翼基础知识最基础测试兼容性方案在地面拆除螺旋桨姿态/增稳模式启动油门推至50%大角度晃动机身快速大范围变化油门量飞控输出动力多旋翼基础知识聆听电机转动声音测量电机温度观察是否缺相调试前遥控器设置电调时接上电机最基础测试兼容性方案多旋翼基础知识动力系统—电池多轴飞行器动力电池为聚合物锂电池，属于锂离子电池锂离子电池优点电压高，单体电池工作电压高达3.7~3.8V循环寿命长，可达500次以上，安全性能好多旋翼基础知识比能量大，材料达到理论值88%容量同样容量不同类型电池聚合物锂电池最轻同样重量不同类型电池聚合物锂电池容量最大锂离子电池优点多旋翼基础知识电池容量:安时(Ah)/毫安(mAh)17000mAh:17000毫安放电持续1h电池容量以Wh表示,Ah乘以电压民航旅客行李中携带锂电池额定能量超160Wh严禁携带动力系统—电池多旋翼基础知识动力系统—电池充/放电倍率(C数):有两个c数穿越机电池为5c-30c最大以30倍额定电流放电示例最大以5倍额定电流充电多旋翼基础知识17000mah、6s1p聚合物锂电池以2c充电，求充电电流和时间

时间T=1/充放电倍率c(单位小时)=1/2h=60/充放电倍率c(单位分钟)=60/2=30min例题多旋翼基础知识聚合物锂电池电压其单体标称电压3.7V充电后电压可达4.2V放电后保护电压3.6V动力系统—电池多旋翼基础知识为有更高工作电压和电量对电池单体串联/并联电池组电池组:S(串联)，P(并联)电池组先3个单体串联再2组并联，3S有11.1V3S2P动力系统—电池多旋翼基础知识聚合物锂电池2组线1组输出线(粗,红黑各1根)单节锂电引出线(细,S数有关)监视平衡充电时单体电压飞行中图像叠加OSD信息显示电压为电池负载电压动力系统—电池数据界面多旋翼基础知识锂电池串联才达到使用电压聚合物电池需专用充电器尽量选用平衡充电器动力系统—电池多旋翼基础知识根据充电原理不同串型式平衡充电器并行式平衡充电器充电电池块内部每节串联电池都配备单独充电回路互不干涉，毫无牵连动力系统—电池多旋翼基础知识动力系统—油电混动电动无人机续航能力短推出油电混动型多旋翼无人机多旋翼基础知识链路系统民用多旋翼无人机通讯链路系统较简单(2~3条链)遥控链路数传链路图传链路。多旋翼基础知识链路系统—遥控链路

遥控链路遥控器和无人机遥控接收机上传的单向链路己方发指令，飞机收指令用于视距内控制飞机

遥控器机载接收机多旋翼基础知识链路系统—遥控链路地面人员的控指地面遥控发射机遥控器有4个及以上通道多轴飞行器电信号传播顺序机载遥控接收机—飞控—电调—电机多旋翼基础知识链路系统—数传链路由笔记本连接一个模块和飞机上模块构成双向链路己方发修改航点等指令，飞机接收用于视距外控制飞机飞机发位置/电压信息，地面接收数传链路地面站机载模块多旋翼基础知识尽量远离飞控和GPS天线安装多轴飞行器上链路天线链路系统—数传链路多旋翼基础知识链路系统—图传链路由飞机发射模块和地面接收模块构成下传的单向链路飞机发图像，地面接收图像用于监控摄像头方向和效果图传链路多旋翼基础知识多旋翼气动布局设计两两对应双数螺旋桨结构多旋翼桨平面向上安装螺旋桨直接提供机体升力旋转时会产生反扭力克服反扭力在单数螺旋桨上安装舵机多旋翼基础知识多旋翼气动布局十字型按照要求和使用习惯不同多旋翼设计不同气动结构X字型Y字型H字型多旋翼基础知识多旋翼气动布局—十字型前后左右飞行控制较直观飞行正前方有螺旋桨优点缺点只需改变少量电机转速航拍等应用时造成影响多旋翼基础知识多旋翼气动布局—X字型X字型4轴飞行器右前方旋翼多为俯视逆时针旋转操纵升降和副翼时多个电机参与操纵性和稳定性，都比十字型好多旋翼基础知识外形炫酷，前方视线开阔多旋翼气动布局—Y字型、H字型动力组较少，成本低优点缺点增加机械复杂性和控制难度尾旋翼需舵机平衡扭矩Y字型多旋翼基础知识多旋翼气动布局—Y字型、H字型拥有X型相当的特点较容易设计成折叠结构H字型多旋翼基础知识多旋翼气动布局—4\6\8旋翼轴数越多载重能力不一定越大只从气动效率出发同样起飞重量旋翼越大，效率越高4轴飞行器比8轴效率高多旋翼基础知识多旋翼结构形式无边框常规固定式简单实用，强度好且质量轻螺旋桨无保护，不够安全脚架影响机载设备视线带边框常规固定式防止磕碰提高安全性增加重量，减少航时多旋翼基础知识多旋翼结构形式穿越式——追求速度多数无脚架，安装前置摄像头多采用H型气动布局动力强，机身小巧手动水平\垂直变现式便于存储与运输多旋翼基础知识多旋翼结构形式自动脚架收放式但会有小幅重量增加改善机载设备视野减小阻力，增加抗风性多旋翼基础知识多旋翼结构形式自动整体变形式支臂变形到最上方改善

机载设备视野飞行中完成整体变形支臂变形到最下方是脚架多旋翼基础知识多旋翼的运动多旋翼运动模式垂直上升下降运动绕多轴飞行器横轴俯仰运动绕多轴飞行器纵轴滚转运动绕多轴飞行器立轴偏航运动多旋翼基础知识多轴飞行器多旋翼的运动旋翼既是升力面又是纵横向和航向操纵面旋翼所有运动都是通过改变旋翼速度实现多旋翼基础知识垂直运动控制四个旋翼转速产生升力实现垂直运动/悬停四个螺旋桨转速须一致多旋翼基础知识俯仰运动多旋翼无人机俯仰运动和固定翼俯仰运动不同机头下俯，飞机向下飞行机头上仰，飞机向上飞行固定翼无人机机头下俯，飞机向前飞行机头上仰，飞机向后飞行多旋翼无人机多旋翼基础知识俯仰运动横轴前后侧螺旋桨转速不同可实现俯仰运动横轴前侧螺旋桨加速横轴后侧螺旋桨减速实现向后移动多旋翼基础知识滚转运动与多旋翼无人机俯仰运动类似，多旋翼可实现滚转运动向右滚转时飞机向右平移向左滚转时飞机向左平移多旋翼基础知识滚转运动纵轴左右侧螺旋桨转速不同，可实现滚转运动纵轴左侧螺旋桨减速纵轴右侧螺旋桨加速实现向左移动多旋翼基础知识偏航运动多旋翼无人机偏航运动指机头方向改变多轴飞行器旋翼旋转方向俯视多轴飞行器两两对应相邻旋翼旋转方向则相反转速一致时抵消反扭力矩多旋翼基础知识四旋翼飞行器螺旋桨两两相对应相对2个桨加速，另2个桨减速反扭力矩不平衡，飞机改变航向示

例偏航运动多旋翼基础知识典型应用军事应用航拍航测农林植保线路巡检货物运输通信中继多旋翼无人机应用多旋翼基础知识航拍航测记录拍摄对象及所在地理环境外部信息获取有关目标的时空信息航测(摄影测量与遥感)航拍(航空摄影)多旋翼基础知识航拍航测航拍多为影视服务航拍多使用摄像机航拍搭载3轴稳定云台航测为地理信息服务航测用高性能照相机航测搭载对地正式云台多旋翼基础知识航拍航测相对于传统航拍，多旋翼航拍优势成本低快速便捷安全高效多旋翼航拍任务系统多旋翼航拍系统任务设备云台与拍摄器材多旋翼基础知识航拍航测—云台3轴稳定云台接入无人机位置姿态信息通过3个力矩电机调整保持航拍画面姿态基准云台稳定云台是航拍设备增稳和操纵装置多旋翼基础知识航拍航测—云台姿态角补偿航向角影响最大位移补偿飞行器速度影响风速的影响多旋翼基础知识航拍航测—摄影器材多旋翼流行微型拍摄器材GoPro

Hero3/Hero4运动相机摄影器材多旋翼基础知识飞行速度影响航拍设备曝光速度快需提高曝光度，保证正常曝光拍摄夜景降低飞行速度，保证正常曝光航拍过程保证画面明暗稳定相机尽量设定为

ISO固定航拍航测—摄影器材摄影器材多旋翼基础知识航拍航测—果冻效应数码相机两种快门卷帘快门全局快门针对拍摄快速移动物体产生变形果冻效应多旋翼基础知识航拍航测—果冻效应当被拍摄无人机相当相机高速运动用卷帘快门拍摄，逐行扫描速度不够拍摄物体/平台高频振动，传递到摄像机改善云台和电机减震性能产生果冻效应的情况多旋翼基础知识多旋翼航拍作业形式直线飞行斜线飞行定点悬停跟随拍摄定点绕飞航线绕行航拍航测—作业形式点半径画圆飞行时，边绕圈边上升能得到最佳航拍画面技巧多旋翼基础知识航拍航测—注意事项运输过程做好减震措施固定云台并安装云台固定支架，装箱运输航拍过程中，监视器显示电池电量过