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03 四旋翼无人机的组成与拼装（下）

2023-05-16

03 四旋翼无人机的组成与拼装（下）

  • 目录
  • 1 螺旋桨
    • 1.1 作用
    • 1.2 参数
      • 1. 型号
      • 2. 弦长
      • 3. 转动惯量 [重要]
      • 4. 力效
      • 5. 桨叶数
      • 6. 安全转速
      • 7. 静平衡与动平衡
  • 2 电机
    • 2.1 作用
    • 2.2 工作原理
      • 2.2.1 相位切换
      • 2.2.2 电子调速器
      • 2.2.3 反馈方式
    • 2.3 参数
      • 2.3.1 尺寸
      • 2.3.2 标称空载KV值 ★
      • 2.3.3 标称空载电流和电压
      • 2.3.4 最大电流/功率/电压
      • 2.3.5 内阻
      • 2.3.6 电机效率
  • 3 电调
    • 3.1 作用
    • 3.2 参数
    • 补充：PWM，PPM与SBUS
  • 4 电池
    • 4.1 作用
    • 4.2 参数
      • 4.2.1 电压
      • 4.2.2 容量
      • 4.2.3 充/放电倍率
      • 4.2.4 内阻
      • 4.2.5 能量密度
  • 5 动力系统设计
    • 5.1 理论计算（以求解悬停时间为例）
    • 5.2 经验法（以F450为例）
  • 6 拼装
  • 7 无人机注册备案

目录

  1. 螺旋桨
  2. 电机
  3. 电调
  4. 电池
  5. 动力系统设计
  6. 拼装
  7. 无人机注册备案

1 螺旋桨

(现在不区分旋翼和螺旋桨，统一称之为螺旋桨)

1.1 作用

  1. 螺旋桨是直接产生无人机运动所需的力与力矩的部件
  2. 合适的螺旋桨对提高无人机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。

1.2 参数

1. 型号

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

桨距 (Propeller Pitch)
桨距越大，螺旋桨越拧

2. 弦长

在这里插入图片描述

在不同位置，弦长不同。有平均弦长。

3. 转动惯量 [重要]

较小的转动惯量可以提升电机的响应速度，从而提升多旋翼的性能。

  • 不同的转动惯量对电机的需求不一样；
  • 较小的转动惯量，在使用相同的电机情况下，螺旋桨的转动惯量越小，达到相同的角加速度（如，当前螺旋桨从1000rad/min -> 1500rad/min）变化过程中，如果转动惯量比较小，电机需要一个较小的扭矩就能加到指定速度；反之，整个飞行器的拉力控制的速度就会降低，从而飞行器的响应速度也会降低。
  • 直观认为桨比较轻

4. 力效

  • 力效（单位：g/W）是评估能量转换效率的一个重要指标。
  • 机械功率（单位：W）= 扭矩（单位：N·m）× 螺旋桨转速（单位：rad/s）
  • 力效 = (拉力（单位：g）)/机械功率
    力效越高，产生相同拉力下，电机需要输出的功率越小，则越省电。

机械效率：电机为了让螺旋桨产生这样的拉力，需要输出的一个功率（该功率越大，则越费电）

5. 桨叶数

  • 相同直径下，桨叶数增加可提高拉力，但力效会降低（桨叶间干扰加剧）。
  • 多旋翼无人机常选用二叶桨。

[例]
相同直径下：
3叶桨的拉力 > 2叶桨
3叶桨的力效 > 2叶桨 （原因：流场干扰）

6. 安全转速

螺旋桨转速越高，桨叶形变越大，当螺旋桨转速大到一定程度时，螺旋桨的力效就会降低，因此需要使螺旋桨工作在安全转速以下。

[例]
2000rad/min的拉力 ≈ 1500rad/min的拉力

7. 静平衡与动平衡

  • 静平衡
    如果刚体的转轴通过质心，刚体除重力外，没有其他主动力作用，则刚体可以在任意位置静止不动，则称刚体为静平衡。
  • 动平衡
    • 如果刚体的转轴是中心惯量主轴（与该轴相关的两个惯性积为0，且该轴过质心），刚体转动时，不会引起轴承的附加动反力，则称刚体为动平衡
    • 转动时，对机臂产生力，对飞行器来说就是一种振动。

2 电机

2.1 作用

多旋翼的电机主要以 无刷直流电机 为主，将电能转换成机械能。

  • 无刷直流电机具有多种 优势，比如 效率高、便于小型化 以及 制造成本低。
  • 根据转子的位置，无刷直流电机可以进一步分为 外转子电机 和 内转子电机 。
  • 外转子电机可以 提供更大的力矩，因此更容易驱动大螺旋桨而获得更高效率。
    在这里插入图片描述

2.2 工作原理

2.2.1 相位切换

在这里插入图片描述

2.2.2 电子调速器

相位切换过程，显然需要一个额外元器件——电子调速器 ESC (Electronics Speed Controller)
在这里插入图片描述

通过电调来控制3相电流的切换，从而能实现对电机旋转转速的控制
(通过给线圈通电的时间，来实现对转速的调节)

[问]
如何让电调能精准的控制电机？（如 让电机以1000rad/min的速度）
—— 控制问题（需要控制，定需要反馈）

2.2.3 反馈方式

  1. 霍尔传感器 (Hall-effect Sensors)
    霍尔效应（电流在磁场中运动时，电流会向一个方向偏转）
    测量传感器的磁场是N极 or S极，通过N极、S极切换的频率，进而测量当前电机的转速

  2. 反电动势 (Back EMF)

  3. 如何利用反电动势求电机转速？
    在这里插入图片描述

2.3 参数

2.3.1 尺寸

  • 电机的尺寸取决于定子的大小，由一个四位数字来表示。

例如2212（或写成22×12）电机，前两个数字代表定子直径（单位mm），后两个数字代表定子高度（单位mm），因此2212电机表示电机定子直径是22mm，定子高度为12mm。

2.3.2 标称空载KV值 ★

  • 无刷直流电机的KV值指的是空载情况下，外加1V电压得到的 电机转速值（单位：RPM）。
  • 大型螺旋桨可以选用KV值较小的电机，而小型螺旋桨可以选用KV值较大的电机

KV值越大，空转转得越快

2.3.3 标称空载电流和电压

在空载（不安装螺旋桨）试验中，对电机施加空载电压（通常为10V）时测得的电机电流被称为空载电流。

2.3.4 最大电流/功率/电压

  • 最大峰值**（瞬时）**电流/功率：电机能承受的最大瞬时通过的电流/功率；
  • 最大连续**（持续）**电流/功率：电机能允许持续工作（规定时间）而不烧坏的最大连续电流/功率。
  • 最大电压常用最大电池节数（几S）表示。

2.3.5 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。

2.3.6 电机效率

电机效率是评估性能的一个重要参数
在这里插入图片描述

3 电调

3.1 作用

电调全称电子调速器，英文Electronic Speed Control，简称ESC。

（1）为无刷电机提供三相交流电 ★
（2）为遥控接收器上其它通道的舵机供电
（3）其他辅助功能 (可编程电调)

[注]

  • 舵机：给大信号时，舵机的偏转角大（控制角度）
  • 电机：给大信号时，转速快（控制转速）
    固定翼 上的舵面。是调节角度去改变飞机的力矩，从而实现姿态变化

3.2 参数

（1）最大持续/峰值电流 ★
（2）电压范围 ★
（3）内阻
（4）刷新频率

  • 决定来电调所能产生多大的电机控制频率（除非对飞行器的机动性有特高要求，才需要买贵的电调，为来高频率）
    （5）可编程性

补充：PWM，PPM与SBUS

这种线的格式在无人机中很常见：接收机、飞控、舵机、电调连接时，经常看到这条线。

  • 地线(黑)、正极(红)、信号线(白)
  • 既能实现能量的传输，也能实现信号传输
  1. PWM（脉冲宽度调制）：只能传输一个通道的信号
    在这里插入图片描述
  • 通过调制信号线上的方波宽度，来实现信号的编码和解码
  • 周期内电频越宽，电调输出的转速越大

[问题]
一根线只能传输一个通道的信号（若想控制4个电机的转速，则需要4根线）
若有16个旋翼呢？ ——GG

  1. PPM（脉冲位置调制）：最多传输八个通道的信号
    在这里插入图片描述
  • 做法：给了一个固定宽度的、小的脉冲，间隔了1号通道的脉宽后，又来第2个脉冲，再间隔2号脉宽
  • 但是PPM也是有上限的，最多传输八个通道的信号
  1. SBUS（串口总线）：可传输多于八个通道的信号，且可以同时连接多个设备
  • >8个通道的信号
  • 多个设备
  • [level高的无人机]

4 电池

4.1 作用

  • 电池主要用于 提供能量。
  • 目前航模最大的问题在于续航时间不够，其关键就在于电池容量的大小。
  • 现在可用来做航模动力的电池种类很多，常见的有 锂聚合物电池（LiPo） 和 镍氢电池（NiMH），主要源于其优良的性能和便宜的价格优势。
  • 目前以 锂聚合物电池为主。

现在我们拿到的不是单个锂电池，而是一个锂电池组

4.2 参数

4.2.1 电压

  • 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（标称典雅），
    • 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（series），P表示并联（parallel）。
    • 又如2S2P电池表示2片锂聚合物电池的串联，然后两个这样的串联结构并联，总电压是7.4V，容量是单个电池的两倍。
  • 放电特性
    • 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。

在这里插入图片描述

4.2.2 容量

  • 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（为了达到同样的输出功率，电流就会上升），所以导致其剩余电量与放电时间是 非线性关系。
  • 在实际多旋翼飞行过程中，有两种方式检测电池的剩余容量是否满足飞行安全的要求。
    • 一种方式是检测电池单节电压；
      因为1个电池对应的放电曲线是确定的（即 通过测量它电压，就知道它剩余容量是多少）
    • 另一种方式是 实时 检测电池输出电流做积分计算。

[注]
单电芯充满电电压为4.2V，放电完毕会降至3.0V(再低可能过放导致电池损坏)，一般无人机在低于3.6V之前会电量报警

[注2] 标称电压:

  • 其实标称电压并不是指电池电压，电池的实际电压是根据电池的实际容量发生变化的。
  • 列如 常见的18650、26650、14500等规格型号的锂离子电池，
  • 锂离子电池充满电，电压大概会是4.2V或者4.3V，锂离子电池放完电，电压大概会是3.0V。锂离子电池放电图，是呈抛物线的（包括其它类型电池），而在4.3V降到3.7V和3.7V降到3.0V，都是变化很快的。惟有3.7V左右的放电时间是最长的，几乎占到了3/4的时间。所以才会标3.7V。

4.2.3 充/放电倍率

  • 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（单位：A）/额定容量（单位：Ah）
    • 例如：额定容量为100Ah的电池用20A放电时，其放电倍率为0.2C。
  • 电池充放电倍率是表示放电快慢的一种量度，越大表明充放电越快。
    • 所用的容量1小时放电完毕，称为1C放电；5小时放电完毕，则称为1/5=0.2C放电。容量5000毫安时的电池最大放电倍率为20C，其最大放电电流为100A 。
  • 锂聚合物电池一般属于高倍率电池，可以给多旋翼飞行器提供动力。
  • 放电电流不能超过其最大放电电流限制，否则可能烧坏电池
  • 充电电流不能超过最大充电电流限制 （电池上标有最大充电倍率看标注，没有的话动力一般1C充电，遥控电池一般0.5C充电），否则会引起电池鼓包、自燃甚至爆炸！

充电电流由电池容量与充电倍率决定，与电池电压无关

[注]
锂聚合电池的特点，能以一个非常大的电流放电，这是一般电池做不到的；所以可以为多旋翼飞行器提供动力

  • 因为多旋翼飞行器有多个电机并联在一起，需要电池以一个非常大的电流往外放电

4.2.4 内阻

  • 电池的内阻 不是常数，在充放电过程中随时间不断变化，不是线性关系。此外，也随着电池状态和使用寿命变化而变化。
  • 电池的内阻很小，我们一般用毫欧的单位来定义它。但是由于多旋翼飞行器的放电电流经常达到几十安培甚至更高，因此其带来的压降也是 不容忽视 的。
    在这里插入图片描述

4.2.5 能量密度

能量密度指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小

[注] 锂电池不用的时候怎么办？
智能电池，里面有一个芯片，当检测到里面的电池已经长时间未使用，会把电量放到一个适宜的电量值，在这样的情况下，寿命可能维持较久

5 动力系统设计

5.1 理论计算（以求解悬停时间为例）

在这里插入图片描述

计算平台：

  • https://www.flyeval.com/index.html （计算与设计，只有多旋翼）
  • https://ecalc.ch （只有计算，各种机型）

5.2 经验法（以F450为例）

  1. 确定螺旋桨尺寸
    尺寸允许条件下，桨越大，效率越高
  2. 根据设计飞行器的总重量，确定总电机最大拉力
    不宜过大也不宜过小。过大拉力，动力浪费；动力过小，机动性 差（飞不快）。一般可令悬停油门为50%
  3. 查表，寻找符合要求的电机——螺旋桨——电调组合
    此过程，也将确定最大电流和最大电压
  4. 根据续航要求，选择合适的电池
  5. 实际飞行测试

[例]
飞行器总重2kg，螺旋桨尺寸10inch，从ATG中选，电机从朗宇2216中选，电调在好盈天行者中选，电池从格氏中选。

  • （一种答案：1047+KV1100+30A+5300mah）

[注]
最大拉力

  • 不宜过大
    • 过大：如 悬停时，只需要油门推10%，这时，电机选择过大
    1. 浪费 ； 2. 可控频段变小
  • 不宜过小
    • 可能只能勉强让它维持悬停
  • 一般可令悬停油门为 50%

6 拼装

7 无人机注册备案

在这里插入图片描述

  • https://uas.caac.gov.cn/enter
  • https://www.zhihu.com/question/329165504
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