多旋翼无人机硬件与结构设计,多旋翼无人机装配设计技术

多旋翼,优点是垂直起降、机械结构简单、易维护,缺点是载重和续航时间都更差。

多旋翼和四旋翼

除了机械结构上的差异,一个是4组动力系统,一个是6组动力系统,无本质区别,都是3个力矩和1个拉力,六旋翼控制分配更灵活。

四旋翼无人机硬件总体介绍

四旋翼旋翼机架基本结构,相同轴距下的环抱式无人机机架和开放式无人机机架。

环抱式无人机机架安全适合教学,但是续航比开放式低一些。

轴距是指对轴两个电机之间的距离,通常是用来衡量四旋翼尺寸的重要参数。根据轴距我们才能进行电机和桨叶的选型。轴距越大,桨叶越大,升力越大,需要的转速就降低。

机架材料选型推荐选用碳纤维材质具有高稳定性、高转换率、重量轻、刚度大

的特性。

机架——起落架

起落架支撑四旋翼的重力,减小起飞时的地效,消耗和吸收四旋翼在着陆时的撞击能量。

动力系统——桨叶

螺旋桨是直接产生多旋翼运动所需的力与力矩的部件。合适的螺旋桨对提高多旋翼性能和效率有着直接的影响。考虑到电机效率会随螺旋桨尺寸变化而变化,所以合理匹配的螺旋桨可以使电机工作在更高效的状态,从而保证在产生相同拉力情况下消耗更少的能量,进而提高续航时间。

提供同样拉力的情况下,两桨叶比三桨叶尺寸大,两组正牙,两组反牙à抑制自旋转。

桨叶型号含义(例1045)

1045的含义是,螺旋桨的直径是10英寸,螺距是4.5英寸。螺距是什么呢?假设螺旋桨在一种不能流动的介质中旋转,那么螺旋桨每转一圈,就会向前进一个距离,就称为螺距或桨距(Propeller Pitch)。

动力系统——桨叶材质及选型

转动惯量越小,控制起来更灵敏。更重要的是,螺旋桨的转动惯量越小,改变转速所消耗的能量就越小,因此能提高飞行效率。因此,为了减少转动惯量,在不改变外形和强度的前提下,有些特制的螺旋桨内部材质还会进一步设计。

一般有碳纤维、塑料、木制等材料。碳纤维桨比塑料桨贵几乎2倍。碳纤维桨刚性较好,因此产生振动和噪音较少,较塑料桨,更轻,强度更大,适用于高KV值电机,控制响应比较迅速。然而,当发生坠机时,因为碳纤维桨刚性强,电机将吸收大部分的冲击力。木桨一般更重,也更贵,比较适用于较大载重的多旋翼。

动力系统——无刷电机

没有碳刷,理论上转子无需和外界有导体上的链接。在运行过程中,无刷电机的转速是靠交流电的频率决定的,所以频率越高无刷电机可以转得越快。无刷电机的转速是严格按照KV值设定的,1000KV表示每一伏特供电,电机转速加快1000转。所以电压为5V时,1000kv的无刷电机转速5000rpm。在运行过程中,同样转速电机的扭力是靠电调输出的电流强度决定的,电流越大扭力越大。(理想状态下,我们“聪明”的无刷电调会不断“监测”我们的电机是否需要更大的扭力,同时也会保证扭力不过剩,以免浪费表情)

无人机起飞重量决定电机大小,电机大小决定桨叶大小,桨叶大小决定无人机轴距。

动力系统——选择成品电调

电调的主要参数指标有:

(1)最大持续/峰值电流

无刷电调最主要的参数是电调的功率,通常以安数A来表示,如10A、 20A、30A。不同电机需要配备不同安数的电调,安数不足会导致电调甚至电机烧毁。最大持续电流指的是在正常工作模式下的持续输出电流,峰值电流指的是电调能承受的最大瞬时电流。

(2)电压范围

电调能够正常工作所允许输入的电压范围也是非常重要的参数。一般在电调说明书上可以看到标注例如“3-4S LiPo”字样,表示这个电调适用于3到4节电芯串联的锂聚合物电池,也就是说它的电压范围为11.1V~14.8V。

(3)可编程性

通过内部参数的设置,可以让电调最佳的性能。

油门行程很关键:直接关系PWM输出的物理意义。PWM精度要设置恰当,在电调允许范围内尽可能高。安全起见,电调初始化时必须取下螺旋桨!

PWM输出范围:0~1000 与 0~100 的控制精度区别

油门行程很关键:直接关系PWM输出的物理意义。PWM精度要设置恰当,在电调允许范围内尽可能高。安全起见,电调初始化时必须取下螺旋桨!

机架——减震板

吸收高频的微小振动,减少给传感器带来的高频噪声。减振意义:

(1)飞控板上的加速度传感器对振动十分敏感,而加速度信

号直接关系到姿态角和位置的估计,因此十分重要。具体地:加速度信号直接关系到姿态角和姿态角速率的估计。飞控程序融合了加速度计和气压计、 GPS数据来估计飞行器

的位置。而在飞行器定高、悬停、返航、导航、定点和自主

飞行模式下,位置估计很关键。

(2)减振另外一个重要的作用是提高成像的质量,这样就可以不依赖云台。这对于多旋翼的小型化至关重要。

动力系统——电池

锂电池组包含两部分:电池和锂电池保护线路。单节电压3.7V,3S1P表示3片锂聚合物电池的串联,电压是11.1V,其中:S是串联,P表示并联。不仅在放电过程中电压会下降,而且由于电池本身具有内阻,其放电电流越大,自身由于内阻导致的压降就越大,所以输出的电压就越小。

电池的容量是用毫安时来表示的。5000毫安时的电池表示该电池以5000毫安的电流放电可以持续一小时。但是,随着放电过程的进行,电池的放电能力在下降,其输出电压会缓慢下降,所以导致其剩余电量与放电时间并非是线性关系。

一般充放电电流的大小常用充放电倍率来表示,即充放电倍率=充放电电流/额定容量。额定容量为100Ah的电池用20A放电时,其放电倍率为0.2C。

飞控系统

飞控系统就像无人机的心脏一般,它总控着所有外围硬件的运作、无人机的飞行状态和与地面站通讯等核心任务。BirdDrone的飞控系统主要包含了惯性传感器单元(MPU6500和LSM303D)、烧录仿真单元、高度位置信息传感器单元(MS5611(气压计)和U-Blox(GPS))、通信单元(蓝牙2.4G)与各类预留接口等。

遥控器和接收机

常用的无线电频率是720MHz与2.4GHz, 目前采用的最多的是2.4GHz遥控器。2.4GHz技术属于微波领域,有如下几个优点:频率高、同频几率小、功耗低、体积小、反应迅速、控制精度高。2.4G微波的直线性很好,换句话说,控制信号的避让障碍物的性能就差了 。控制模型过程中,发射天线应与接收天线有效的形成直线,尽量避免遥控模型与发射机之间有很大的障碍物(如房屋及仓库等)。

一个通道对应一个独立的动作,一般有6通道和10通道。多旋翼在控制过程中需要控制的动作路数有:上下、左右、前后、旋转所以最低得4通道遥控器。

美国手和日本手就是遥控杆对应的控制通道的设置不同。美国左手操作杆是“升降+偏航”,右手为“俯仰+滚转”。日本手则相反。目前,国内以美国手遥控器为主。

油门杆不会自动回中,最低点为0%油门,最高点为100%油门。这种油门主要对应的是期望的推力的大小, 称直接式油门。还有一种油门是松手油门自动回中,属于增量式油门。这种油门大小对应的是期望的速度大小。油门回中,多旋翼的期望速度为零,也就意味着多旋翼在当地悬停。

根据功率不同,遥控器控制的距离也有所不同。遥控器上也可以使用带有功率放大(Power Amplifier, PA)模块,带有鞭状天线,可以增大操控距离。

地面站

地面站软件是多旋翼地面站的重要组成部分。操作员通过地面站系统提供的鼠标、键盘、按钮和操控手柄等外设来与地面站软件进行交互。预先规划好本次任务的航迹,对多旋翼的飞行过程中飞行状况和姿态进行实时监控和修改任务设置以干预多旋翼飞行。任务完成后还可以对任务的执行记录进行数据分析。可以在地面站上对多旋翼的控制参数进行在线的调参。

数传

数传电台是指借助DSP 技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电台。采用数字信号处理、 数字调制解调、 具有前向纠错、均衡软判决等功能的无线数据传输电台 。数传电台一端接入计算机(地面站软件),一端接入多旋翼飞控系统中,通讯采用一定协议进行,从而保持自驾仪与地面站的双向通讯。

通讯协议

通信协议又称通信规程,是指通信双方对数据传送控制的一种约定。只要按照一定的通讯协议,可以使得地面站软件通用起来,可以兼容不同的飞控(自驾仪)。MAVLink通讯协议是一个为微型飞行器设计的非常轻巧的、只由头文件构成的信息编组库。