丹尼带你入坑无人机3 - 四轴配件简介

2023-05-16

知道你的四轴里面每个小东东都是干嘛用的吗?

麻雀虽小,五脏得全。简单说,飞控就是大脑,它能知道每一时刻无人机的状态,并且给下一时刻需要作出的动作发出指令。

电调就好比是神经单元,接收大脑发送的命令,转化为相应的执行命令给各个肌肉,让肌肉执行相应动作。

电机就是肌肉,它接收电调的指令,驱动手脚动起来。

那手脚是什么?当然是四个螺旋桨了。螺旋桨在肌肉(电机)的带动下快速旋转,带动飞机做出不同的动作。

除此之外还需要一个小心脏,电池就是心脏,源源不断的给无人机提供能量。

这些还不够,一个很坚硬,韧性很好的骨骼(机架)也很重要,没有骨骼,再猛的电机没法让四轴飞起来。

四轴装配

飞控

四轴飞行器相对于常规航模来说,最最复杂的就是电子部分了。

四轴之所以能飞行得很稳定,全靠电子控制部分对四轴飞行状态进行快速调整 。

由于四轴飞行器机械机构的限制,它的飞控都自带惯性导航模块(简称IMU,3轴陀螺仪以及3轴加速度传感器),没有这个惯性导航系统,四轴根本无法飞行,更谈不上飞稳了。飞行中的姿态感测全靠这个IMU了,可见它是整架无人机的核心部件 。

飞控需要相当复杂的算法支撑,算法通过传感器的数据,结合飞手的遥控指令,给整个四轴下达动作指令。

现在有很多成熟的开源飞控,大家都可以自由做选择。像用的最多的APM,以及它的继承者PX4,更有适合迷你四轴的betaflight等等。

PX4PixracerF4

电调

电调就是四轴电机的驱动。它的作用就是将飞控板的控制信号,转变为电流的大小,以控制电机的转速。

不象直机的桨,只有一个能产生集中的离心力形成陀螺性质的惯性离心力,保持机身不容易很快的侧翻掉,所以通常用到的舵机控制信号更新频率可以很低。而四轴飞行器四个桨转动时的离心力是分散的,需要高反应速度的电调,以应对姿态变化引起的飘移。

四轴的电调是专用的高速电调,能够快速反应到电机的转速变化。用IIC总线接口传送控制信号,可达到每秒几百上千次的电机转速变化,在飞行时姿态能够时刻保持稳定,即使受到外力突然冲击,依旧安然无恙。

四轴电调以电流为主要参数,一般会表明多少A, 如20A、30A等。大电流的电调可以驱动小电流的电机,而小电流电调不能超标使用。

电调发热量很大,一般放到浆下面,方便散热。

电调

电调塔

电机

电机分有刷电机和无刷电机

一般玩具四轴上面装的都是有刷电机,也叫空心杯。这种电机成本较低,但是功率也较低,由于磨擦导致能量转化效率也不高,磨擦生热导致电机寿命没有无刷好。

而穿越机以上的电机都是无刷电机。相对空心杯电机,有刷电机会贵很多,还需要额外加个电调驱动无刷电机转动。但是无刷电机的能量转换效率很高,而且力量非常强大。所以一般发烧友DIY的话都会选择无刷电机。

无刷电机的转子上粘有已充磁的永磁体,靠定子绕组上有规律的磁向变化来带动转子转动。一般多做成三相对称星形接法,引出三根动力线跟电调相连。

无刷电机的型号一般都有四位数字表示,比如2212、2018等。这其实是电机的尺寸,其中前面2位是电机转子的直径,后面2位是电机转子(不是外壳)的高度。简单来说,前面2位越大,电机越肥,后面2位越大,电机越高。 又高又肥的电机,功率就更大,适合做大四轴。 又矮又瘦的电机功率小点,适合做迷你四轴。

每个无刷电机都会标多少kv值,这个kv是外加1v电压对应的每分钟空转转速,例如:1000kv电机,外加1v电压,电机空转时每分钟转1000转,外加2v电压,电机空转就2000转了。

电机1

电机2
电机3

螺旋桨

浆,在生活中很常见。螺旋桨除了一叶的,几叶的都有。浆的叶片多不增加飞机的动力,但是能够改变飞机的爬升性能。

在四轴上最通用的是两叶浆。一般情况下大浆用两叶,小浆有可能会出现三叶、四叶。

浆的叶多少选择跟介质关系很大。空气密度小,浆叶片的增加对往后推的空气总量提升有限。而如果是船在密度较高的水中,增加一叶浆对整体往后推的水量就有很大的提升。所以一般飞机会用两叶浆,飞船会用三叶架。

四轴四个螺旋桨的旋转方向是不一样的,主要是为了相互抵消自旋,所以需要正反桨。适合顺时针旋转的叫正浆、适合逆时针旋转的是反浆。安装的时候要根据所需的四轴模式进行安装,切忌将正反桨装反了。

同电机类似,桨的型号也都用4位数字表示,比如1045、7040等。前面2位代表桨的直径(单位:英寸 1英寸= 0.0254米)后面2位是桨的角度。

一般来说,大浆需要更大的转动力量来提供升力,而小浆需要更快的转速来提供更大的升力。而相同攻略的电机kv值越小,转动力量就越大。所以在选型的时候打浆会配个低kv的电机,而小浆会配个高kv的电机。

浆1
浆2

电池

四轴的的电池跟普通的电池最大的区别就是放电能力,因为四轴在飞行的过程中需要用很大的马力加速、转弯、翻转

由于放电电流很大,放电速度也会很快,所以电池的容量也是另外一个很重要的指标,容量越大,四轴能飞的越久。

另外还需要考虑的指标是输出电压是否符合内部元器件的要求,电池的体积是否能符合安装,电池的重量会不会太重。

一般买动力电池的时候都会标有 mAh、放电C、充电C以及V等这些数据。

  • mAh表示电池容量,比如1000mAh的电池,如果以1000mA的电流放电,能持续放电1小时,如果以500mAh的电流放电,可以次序放电2小时
  • 放电C代表电池放电能力,这是普通锂电池和动力锂电池最重要区别,动力锂电池需要很大电流放电,这个放电能力就是C来表示的。如1000mah电池 标准为5c,那么用5x1000mah,得出电池可以以5000mh的电流强度放电,但是放电时间也就缩小到1/5小时了。这很重要,如果用低c的电池,大电流放电,电池会迅速损坏,甚至自燃。
  • 充电C代表电池的充电能力与上面的c一样,只是将放电变成了充电,如1000mah电池,2c快充,就代表可以用2000ma的电流来充电。所以千万不要图快冒然用大电流,超过规定参数充电,电池很容易损坏。
  • V代表电池的输出电压,有时候也用S来表示。S代表锂电池的节数,锂电池1节标准电压为3.7v,那么2s电池,就是代表有2个3.7v电池在里面,电池的输出电压为7.4V。电压要根据外围器件的需求来进行选择。

在选择电池的时候要综合考虑各个因素,这与选择的电机、螺旋桨、想要的飞行时间相关,容量越大,c越高,s越多,电池越重。

电池

基本原则是如果用大桨,因为整体搭配下来功率高,自身升力大,为了保证可玩时间,可选高容量,高c,3s以上电池。如果用小浆,因为自身升力有限,整体功率也不高,就可以考虑小容量,小c,3s以下电池。

机架

作为整个飞机的支架,有两个很重要的因数需要考虑,一个是刚性,另外一个是重量。

刚性要强,这样四轴在很大的加速度下也不容易变形;重量要轻,每增减一份重量都会减少飞机续航时间同时降低飞机的灵活性。

综上,碳纤维是目前为止用来制作机架最好的材料,现在迷你四轴的话主流会选择3mm的碳纤维板来制作机架。

机架1
机架2
机架Mantis85

至于机架的尺寸,理论上讲,只要保证四轴上的4个螺旋桨不打架就可以了。但是考虑到螺旋桨之间因为旋转产生的乱流会互相影响,建议还是不要太近,否则影响效率。


以上就是四轴本体上的基本配件了,但是它暂时还不能飞,因为缺少给四轴发送飞行命令的设备,比如遥控器,或者地面站。下篇将会对这些外围配件进行介绍。

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