02 四旋翼无人机的组成与拼装（上）
- 目录
- 1 总体介绍
- 2 布局设计
- 2.1 机身布局
- 2.1.1 交叉形
- 2.1.2 环形 - 比较少
- 2.1.3 可折叠交叉形
- 2.2 旋翼安装
- 2.2.1 常规布局 VS 共轴双桨
- 2.2.2 力矩、角动量、陀螺力矩、空气阻力矩与旋翼布局
- 2.3 桨盘角度
- 2.4 旋翼与机架半径
- 2.5 尺寸与机动性的关系
- 2.6 重心位置
- 2.7 自驾仪位置
- 3 气动设计
-
- 4 减振设计
- 4.1 多旋翼飞行器振动的主要危害：
- 4.2 多旋翼的振动的主要来源
- 5 指挥控制系统
- 5.1 遥控器+接收机
- 5.1.1 频率
- 5.1.2 通道
- 5.1.3 控制模式
- 5.1.4 油门
- 5.1.5 遥控距离
- 5.2.数传和图传
- 5.3.自动驾驶仪
- Pixhawk ,PX4 和Ardupilot之间是什么关系？
- 作用
- 5.4.地面站
目录
- 总体介绍
- 布局设计
- 气动设计
- 减振设计
- 指挥控制系统
- 作业
1 总体介绍
[注]
若在室内飞行，无GPS定位，则需要相机，激光的SLAM（通过记载电脑避障 -> 自驾仪）
2 布局设计
2.1 机身布局
2.1.1 交叉形
常选用X字型
- 俯仰滚转 机动性更强（多旋翼飞行器向前飞和横向飞的概率远大于其他飞行方向）
[一般飞行先调整角度，再向前飞行] - 前视相机的 视场角 不容易被遮挡。
| – | +字型 | X字型 |
|---|
| 俯仰 | 前后电机(各1个)速度不同 | 前2个，后2个共同控制 |
| 滚转 | 左右电机的快慢 | 左2个，右2个 |
| 偏航 | | 对角线电机 |
| 总结 | 由2个电机完成俯仰、滚转 | 4个电机 |
[注] 陀螺力矩无法控制偏航 – 空气阻力矩
2.1.2 环形 - 比较少
- 与交叉形相比，刚度更大，从而降低了无人机的振动
- 增加了机架的重量和转动惯量
2.1.3 可折叠交叉形
2.2 旋翼安装
2.2.1 常规布局 VS 共轴双桨
- 共轴双桨可以不增加飞行器整体尺寸的前提下，增加总拉力，同时减少对相机视场的遮挡。
- 上下桨叶旋转方向相反，抵消陀螺力矩
- 但共轴双桨由于受气流干扰，效率下降，双桨约等于1.6个桨。
[1] Bohorquez F. Rotor hover performance and system design of an efficient coaxial rotary wing micro air vehicle [Ph. D. dissertation], University of Maryland College Park, USA, 2007.
2.2.2 力矩、角动量、陀螺力矩、空气阻力矩与旋翼布局
2.3 桨盘角度
- 增强稳定性 （大型无人机）
- 提高偏航控制力矩
- 拉力分一点给偏航
- 实现全向运动
2.4 旋翼与机架半径
2.5 尺寸与机动性的关系
2.6 重心位置
2.7 自驾仪位置
- 理想位置应在飞行器的重心。
- 若飞控离飞行器重心较远，由于存在 离心加速度 和 切向加速度 , 将会引起加速度计的测量误差,即“杆臂效应”。（想想极端情况，如果装在桨叶处，肯定不准）
- 飞控可以倾斜 （内部可以校准水平）
3 气动设计
3.1 减阻
[例] 对机身做减阻
如Mavic 2：整体机身经过重新设计，气动性更好，相对 Mavic Pro ，全速飞行时机体阻力降低了19%。
3.2 增升
- 提供了额外的升力
- 旋翼产生 用于克服重力的分量会更少，用于前进的分量会更多，这样也能提供续航
3.3 旋翼流场
- 设计更好的桨
- 通过合理设计机身让旋翼拉力更大
[例] 带有涵道的四旋翼：
限制流管（一开始，流管可能较大，较乱），但现在把它框起来，让气流很有规律地从中间流过去，则效果会比较好，即产生较大拉力。 —— 机身设计
4 减振设计
4.1 多旋翼飞行器振动的主要危害：
飞行控制板极易受到 振动信号的干扰，导致控制系统的反馈检测失真，极大影响飞行控制。
- 即，振动对传感器的影响
- 振动会作用在加速度计上，加速度计测量出的加速度会被巨大的噪声淹没（这个噪声即是振动产生的），这个噪声会对控制产生非常糟糕的影响 —— 导致控制系统的反馈检测失真
4.2 多旋翼的振动的主要来源
- 螺旋桨的旋转 —— 气动力【主要】
- 电机的旋转
[注] 多旋翼在旋转时，应力分布不同
5 指挥控制系统
5.1 遥控器+接收机
指标参数：
5.1.1 频率
- 常用的无线电频率是72MHz与2.4GHz，目前采用的最多的是2.4GHz遥控器。 –2.4GHz
- 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。 –优点
- 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）。 –缺点 不能绕弯
- 双频
5.1.2 通道
一个通道对应一个独立的动作，一般有六通道、十通道等。多旋翼在控制过程中需要控制的动作路数有：油门、偏航、俯仰、滚转，所以 至少得 四个通道 遥控器。
5.1.3 控制模式
美国手（多旋翼常用）或日本手
5.1.4 油门
- 直接油门（乐迪AT9S） -—不会归中；推多高就多大；控制加速
- 增量式油门（大疆） ——会归中；做定高飞行； 控制飞机高度
5.1.5 遥控距离
5.2.数传和图传
- 数传：如传飞行参数、调PID参数
- 图传：
- 模拟（信号）图传：快；清晰度不够 —— 穿越机
- 数字（信号）图传：慢；清晰 —— 航拍机
5.3.自动驾驶仪
Pixhawk ,PX4 和Ardupilot之间是什么关系？
- 自动驾驶仪：
软件（飞行栈，中间件）+ 硬件（传感器，计算平台，外设接口）
[注] 固件(Firmware)：
一般存储于设备中的电可擦除只读存储器或FLASH中，一般可由用户通过特定的刷新程序进行升级的程序。 即，已经存在ROM和FLASH中
作用
- 制导。制导就是解决 “多旋翼去哪儿” 的问题。去哪儿可能是操作手决定的，也可能是为了安全，按照规定流程的紧急处理方案。（常需要借助外部计算平台）
- 导航。导航就是解决 “多旋翼在哪” 的问题。如何发挥各自传感器优势，得到准确的位置和姿态信息，是自驾仪要做的首要的事情。（常需要借助外部计算平台）
- 控制。控制就是解决 “多旋翼怎么去” 的问题。首先得到准确的位置和姿态信息，之后根据任务，通过算法计算出控制量，输出给电调，进而控制电机转速。
5.4.地面站
- 地面站软件是无人机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，对无人机的飞行过程中飞行状况进行 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 进行回放分析
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