多旋翼无人机知识手册

[键入文字]V1.1版翎航智能科技工作室培训教材多旋翼无人机知识手册多旋翼无人机知识手册-2-前言随着多旋翼无人机的应用日趋广泛，多旋翼无人机的入门门槛越来越低，“到手飞”、个人航拍机等对操作人员的要求几乎是零，对毫无基本常识和经验的人来说也可以操作。但这些都为人身和财产安全埋下了巨大的隐患，出于以上考虑，本教材阐述了多旋翼无人机的基本原理、总结了飞行过程中的注意事项、操作方法、以及如何规避风险。这是一本适合飞行初学者的教材，旨在普及航空知识、和飞行常识等基本理论，根据经验提出在飞行中应该注意的问题和如何规避风险、应急处置等。本教材的材料有些基于无人机方面的书籍，有些则基于航模飞行的经验，很多都是十分难得的第一手资料，因此可以作为飞行初学者的基础教程，也可以作为以拓宽知识面、开拓思路为主要目的的广大无人机爱好者的学习资料。由于水平有限，时间仓促，书中疏漏之处在所难免，敬请读者朋友批评指正，以使我们在再版时修订。作者多旋翼无人机知识手册-3-目录前言...................................................................................................-2-目录...................................................................................................-3-第一章绪论.......................................................................................-4-第二章系统组成及原理....................................................................-7-第三章飞行器.................................................................................-18-第四章操作方法实例......................................................................-26-第五章其他细节.............................................................................-45-第六章多旋翼无人机的作用与意义..............................................-53-第七章与多旋翼无人机有关的航空法规及航空气象...................-54-总结...................................................................................................-66-参考文献...........................................................................................-66-多旋翼无人机知识手册-4-第一章绪论关于无人机系统的发展历史在任何一本讲无人机的书里都有介绍，在这里不再重复。而关于国内外无人机的发展现状，在所有文章中也都说的很片面，基于自身水平和对国外无人机的了解有限，也不再赘述，在本文中只针对多旋翼无人机进行评述。多旋翼无人机系统概述无人机英文缩写UAV，涵盖无人驾驶飞机、遥控飞行器及无人靶机。由于多旋翼无人机是近几年才发展起来，脱胎于航空模型。航空模型一般称为无线电控制（RC），所以很多人也认为多旋翼无人机是航模。但是无线电控制是从一个遥远的地点位置制导或控制的，属于无人机，但是无人机不一定就是无线电控制的，因为无人机可以根据预先设置的飞行程序来飞行。不管无人机是以遥控控制的方式还是通过一个预设的导航系统飞行，它并不一定是被放飞的，即由一个有飞行技能的人来操控。目前使用的无人机通常有自动驾驶及导航系统，可保持飞行姿态、飞行高度及机型地面跟踪。遥控控制无人机通常指通过地面控制站中设置的开关或者操纵杆来手工调整无人机的方向、高度、速度等，以此来控制无人机的位置。但当无人机到达指定航线时，无人机中的自动驾驶仪便可保持飞行稳定及实行操纵。各种类型的导航系统（全球定位系统、无线电控制系统、惯性系统）可执行事先设定的任务，这些任务可由人工操纵多旋翼无人机知识手册-5-完成，也可自动完成。一架典型的无人机系统至少应该包括飞行器、一个或多个地面控制系统和/或任务规划与控制站、有效载荷及数据链路。此外，很多无人机系统包括发射与回收子系统。一个非常简单的、普通的无人机系统如图1.1所示。图1.1普通无人机系统飞行器飞行器是无人机系统中的空中部分，包括飞机机体、推进装置、飞行操控装置、供电系统。飞行数据终端被安装在飞机上，它是通讯数据链路的机载部分。有效载荷显然是机载的，但它却被认为是独立的子系统，能够在不同的飞行器之间通用，并且经过特别设计，能够完成各种不同人物。飞机可以使固定翼式、旋转翼式或风管式。轻型飞行器也可称为无人机。某些典型的飞行器如图1.2所示。多旋翼无人机知识手册-6-图1.2典型的飞行器多旋翼无人机系统分类按轴数分有三轴、四轴、六轴、八轴甚至十八轴等。按发动机个数分有三旋翼、四旋翼、六旋翼、八旋翼甚至十八旋翼等。要大家明确一点是轴和旋翼一边情况下是相同的，有时候也是不同的，比如四轴八旋翼。是将四轴上每个轴上下各安装一个电机构成八旋翼。本教材只要以四旋翼为主。多旋翼无人机的任务多旋翼无人机的任务根据航程、续航时间、速度及有效载荷能力多旋翼无人机知识手册-7-来决定，通常在设计无人机之初主要是依据有效载荷和任务具体要求来设计。最常见的任务包括航拍、植保、巡线、刑侦、救援等等。任务不同需求也不同，对性能要求有各自的侧重点，但目前最迫切的需要是在保证有足够的任务载荷情况下能够提供更长的续航时间。市场上可见的多旋翼无人机多应用在民用领域，在军事上应该有大规模应用的前景，但尚未普及，这也对多旋翼无人机的稳定性、可靠性和适应各种复杂环境的能力提出了挑战，目前多旋翼无人机正朝着模块化结构迈进，这大大简化了多旋翼无人机的结构，对进一步拓宽市场起到了一定的推进作用。第二章系统组成及原理四轴（多轴）飞行器也叫四旋翼（多旋翼）飞行器，它有四个（多个）螺旋桨，四轴（多轴）飞行器也是飞行器中结构最简单的飞行器了。前后左右各一个，其中位于中心的主控板接收来自于遥控发射机的控制信号，在收到操作者的控制后通过数字的控制总线去控制四个电调，电调再把控制命令转化为电机的转速，以达到操作者的控制要求。根据所安装的飞控系统来确定电机的转动顺序和螺旋桨的正反，机械结构上只需保持重量分布的均匀，四电机保持在一个水平线上，可以说结构非常简单，做四轴的目的也是为了用电子控制把机械结构变得尽可能的简单。对于其组成归纳来说如图所示：多旋翼无人机知识手册-8-机身：机身是大多数设备的安装位置，也是多旋翼无人机的主体，也成为机架。根据机臂个数不同分为：三旋翼，四旋翼，六旋翼，八旋翼，十六旋翼，十八旋翼也有四轴八旋翼等，结构不同叫法也不同。出于结构强度和重量考虑，一般采用碳纤维材质。起落架：多旋翼无人机唯一和地面接触的部位。作为整个机身在起飞和降落时候的缓冲，也是为了保护机载设备，要求强度高，结构牢固，和机身保持相当可靠的连接，能够承受一定的冲力。一般在起落架前后安装或者涂装上不同的颜色，用来在远距离多旋翼无人机飞行时能够区分多旋翼无人机的前后。马达：对于电动无人机来说就是电机，是多旋翼无人机的动力机构，提供升力，推力等。无刷电机去除了电刷，最直接的变化就是没有了有刷电机运转时产生的电火花，这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰。无刷电机没有了电刷，运转时摩擦力大大减小，运行顺畅，噪音会低许多，这个优点对于模型运行稳定性是一个巨大的支持。电机四个数字的含义：2212电机、2018电机等等，这表示电机的尺寸。不管什么牌子的电机，具体都要对应4位这类数字，其中前多旋翼无人机组成机身起落架马达，电调电池螺旋桨遥控装置GPS模块任务设备数据链路飞控多旋翼无人机知识手册-9-面2位是电机转子的直径，后面2位是电机转子的高度。注意，不是外壳。简单来说，前面2位越大，电机越肥，后面2位越大，电机越高。又高又大的电机，功率就更大，适合做大四轴。通常2212电机是最常见的配置了。无刷电机KV值定义：转速/V，意思为输入电压增加1V，无刷电机空转转速增加的转速值。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。单从KV值，不可以评价电机的好坏，因为不同KV值有不同的适用不同尺寸的浆绕线匝数多的，KV值低，最高输出电流小，但扭力大，上大尺寸的浆；绕线匝数少的，KV值高，最高输出电流大，但扭力小，上小尺寸的浆电调：电子调速器，将飞控的控制信号，转变为电流信号，用于控制电机转速。因为电机的电流是很大的，通常每个电机正常工作时，平均有3A左右的电流，如果没有电调的存在，飞控根本无法承受这样大的电流，而且飞控也没有驱动无刷电机的功能。同时电调在多旋翼无人机中也充当了电压变化器的作用，将11.1V电压变为5V电压给飞控供电。电池：是电动多旋翼无人机的供电装置，给电机和机载电子设备供电。最小是1S电池，常用的是3S、4S、6S，1S代表3.7V电压，螺旋桨：安装在电机上，多旋翼无人机安装的都是不可变总距的螺旋桨，主要指标有螺距和尺寸。浆的指标是4位数字，前面2位代表桨的直径（单位：多旋翼无人机知识手册-10-英寸，1英寸=254毫米）后面2位是桨的螺距。正反桨：四轴飞行为了抵消螺旋桨的自旋，相邻的桨旋转方向是不一样的，所以需要正反桨。正反桨的风都向下吹。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，一定记得无论正反桨，有字的一面是向上的（桨叶圆润的一面要和电机旋转方向一致）。电机与螺旋桨的搭配：这是非常复杂的问题，我自己也在研究当中，所以建议采用大家常见的配置吧，但原理这里可以阐述一下：螺旋桨越大，升力就越大，但对应需要更大的力量来驱动；螺旋桨转速越高，升力越大；电机的kv越小，转动力量就越大；综上所述，大螺旋桨就需要用低kv电机，小螺旋桨就需要高kv电机（因为需要用转速来弥补升力不足）。如果高kv带大桨，力量不够，那么就很困难，实际还是低俗运转，电机和电调很容易烧掉。如果低kv带小桨，完全没有问题，但升力不够，可能造成无法起飞。例如：常用1000kv电机，配10寸左右的桨。飞控：包括陀螺仪、加速度计、电路控制板、各外设接口。陀螺仪：理论上陀螺只测试旋转角速度，但实际上所有的陀螺都对加速度敏感，而重力加速度在我们地球上又是无处不在，并且实际应用中，很难保证陀螺不受冲击和振动产生的加速度的影响，所以再实际应用中陀螺对加速度的敏感程度就非常的重要，因为振动敏感度是最大的误差源。两轴陀螺仪能起到增稳作用，三轴陀螺仪能够自稳。加速度计：一般为三轴加速度计，测量三轴加速度和重力。遥控装置：包括遥控器和接收机，接收机装在机上。一般按照通多旋翼无人机知识手册-11-道数将遥控器分成六通道、八通道、十四通道遥控器等，对于通道的概念在后边章节会有详细介绍。GPS模块：测量多旋翼无人机当前的经纬度、高度、航迹方向、地速等信息。一般在GPS模块中还会包含地磁罗盘（三轴磁力计）：测量飞机当前的航向。任务设备：目前最多的就是云台，常用的有两轴云台和三轴云台；云台作为相机或摄像机的增稳设备，提供两个方向或三个方向的稳定控制。云台可以和控制电机的集成在一个遥控器中，也可以单独的遥控器控制。数据链路：数据链路包括数传和图传。数传就是数字传输，数传终端和地面控制站（笔记本或手机等数据终端），接受来自