无人机硬件与结构设计

SuccessAlwaysBelongsToThosePrepared!DroneTechnologySeminarInShangHai无人机硬件与结构设计锡月科技曹君超常见无人机分类（a）固定翼优点：续航时间最长、飞行效率最高、载荷最大缺点：必须要助跑，降落的时候必须要滑行（b）直升机优点：垂直起降缺点：续航时间没有优势，机械结构复杂、维护成本高（c）多旋翼优点：垂直起降、机械结构简单、易维护缺点：载重和续航时间都更差固定翼模型飞机一般与载人的飞机一样，主要由机翼、尾翼、机身、起落架和舵机等组成。固定翼的重要组成部分及相关职能1、机翼(由主翼及副翼两部分组成)—是模型飞机在飞行时产生升力的装置，并能保持模型飞机飞机飞行时的横侧安定，可控制飞机做出横滚等动作。2、尾翼（由水平安定面及升降舵两部分组成）和垂直尾翼（由垂尾安定面及方向舵两部分组成）两部分。水平尾翼可保持模型飞机飞行时的俯仰安定，垂直尾翼保持模型飞机飞行时的方向安定。水平尾翼上的升降舵能控制模型飞机的升降，垂直尾翼上的方向舵可控制模型飞机的飞行方向。3、螺旋桨和发动机—它是固定翼飞机产生飞行动力的装置。4、舵机—与遥控器接收机搭配一起使用，执行遥控器发射的指令。主要参数是扭力、灵敏度、重量、尺寸。一般一架固定翼汽油飞机至少需要配6个舵机（副翼2个、升降舵2个、方向舵1个、油门1个）。直升机机翼螺旋桨：同轴双桨（抵消反扭矩）、水平尾翼和垂直尾翼、起落架、发动机、机身和操纵控制部分组成。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。无人机和航模四旋翼无人机硬件总体介绍即“飞控板”PX4硬件构成多旋翼机身布局绿色为一组电机，灰色为一组电机十、X模式无人机飞控方向一致一组电机控制单轴运动灵活两组电机同时控制单轴运动稳定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•高稳定性•高转换率•刚度大机架——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——桨叶作用1）螺旋桨是直接产生多旋翼运动所需的力与力矩的部件。2）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。动力系统——桨叶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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（PropellerPitch）。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。以下是碳纤维桨的优势:•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——无刷电机有刷电机无刷电机动力系统——无刷电机常见模型用有刷、无感无刷、有感无刷电机对比。动力系统——无刷电机1、没有碳刷，理论上转子无需和外界有导体上的链接。2、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。3、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。4、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)动力系统——无刷电机命名相对有刷电机，无刷电机的命名好理解很多，只和它的尺寸有关。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2205（或写成22×05）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2205电机表示电机定子直径是22mm，定子高度为5mm。动力系统——无刷电机动力系统——无刷电机动力系统——无刷电机•单只电机在满载运行时，拉力约630gBirdDrone250的机身重量为0.9kg。•结合机身材料可知，电机尺寸越大，拉力与机身重量的比例约大，续航时间可增长。轴距与动力选择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基础油门量用于抵消无人机自身重量基础油门建议不超过60%轴距与动力选择桨叶与轴距选择每个旋翼之间旋转产生的涡流相互不影响，同时保持旋翼结构紧凑，推出以下公式：注：rp为桨叶大小电机转向选择机头电机转向决定正反电机安装位置→电机决定正反桨的桨叶以及电调的接线电机序号与PWM标号对应PWM接线动力系统——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“3-4SLiPo”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。动力系统——电调——摘自好盈电调说明书油门行程很关键：•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。动力系统——电调油门行程很关键：•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。动力系统——电调桥路驱动六步换相电流流向六步换相电流波形BLHeliSuite：推荐开源电调项目：动力系统——反向电动势检测反电动势波形无感：反向电动势法，体积小、初步扭矩小。有感：霍尔元件测量位置法，体积大，初步扭矩大。有感：编码器测量位置法，体积最大，初步扭矩大，昂贵。电调驱动电机电调3相任意交换2相改变电机旋转方向机架——减震板已加载减震球的高度数据未加载减震球的高度数据吸收高频的微小振动，减少给传感器带来的高频噪声。减震设计减振意义：（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。振动来源电机•电机能够平滑稳定运行；•桨夹需要和电机轴承、螺旋桨中心共轴，避免电机转动时产生偏心力；螺旋桨•螺旋桨平衡调节器；•螺旋桨应匹配机架型号和机体重量，并在顺逆时针旋转时具有相同的韧性；•碳纤维螺旋桨比较合适；•碳纤维螺旋桨价格低、刚度大，但旋转时存在安全隐患；•低速大螺旋桨相比于高速小桨效率更高，但是振动较大；•电机模块在不平衡升力时绕螺旋桨轴会产生扭转，所以低速大桨使机架韧性更差。振动强度约束1）一般在多旋翼横向振动强度低于0.3g，在纵向振动要求低于0.5g。2）实际工程中要求所有轴振动强度在±0.1g之内。动力系统——断桨原因分析1.在大载重下，桨叶上下挥舞会导致刚性大的桨很容易折断。2.机身过重，导致桨叶上抬折断。动力系统——电池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。A.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，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。B.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，所以导致其剩余电量与放电时间并非是线性关系。C.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/额定容量。•例如：额定容量为100Ah的电池用20A放电时，其放电倍率为0.2C。动力系统——电池思考一下：为何动力锂电池会过放，并且没有过放保护？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。飞控系统的作用1）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，是飞控系统要做的首要的事情。2）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。3）决策。决策就是解决“多旋翼去哪儿”的问题。去哪儿可能是操作手或者外界自主导航传感器决定的，也可能是为了安全，按照规定流程的紧急处理方案。飞行专业遥控器适用于多旋翼、固定翼、滑翔机和直升机等，每个开关和操作杆对应一个数据通道。遥控器信号接收机PPM解码板遥控接收机PPM解码板用于连接接收机的各个通道，并转换为符合PPM协议的数据信号进行输出。遥控器通讯协议（PPM）PWM信号被广泛用于舵机控制，但是它有一个明显的缺陷，就是有多少个舵机就需要多少个控制线路。而很多时候不希望线路太多，尤其是遥控器的无线信号，只可能有一路通信要传递多路舵机控制信息，于是PPM信号诞生了。PPM（脉冲位置调制）在上个世纪，航模领域中主要使用这种信号作为遥控器的主要无线通信协议，后来被用于教练线和模拟器。该信号使用多个脉冲作为一组，并以组为单位周期性发送，通过组内各个脉冲之间的宽度来传输相应通道的舵机控制信息。PPM通信协议高电平有效。高电平电压：常见4.8~6V。信号周期：24ms单个脉冲宽度：0.4ms脉冲间距：0.9ms至2.1ms遥控器通讯协议（S.bus）S.bus硬件协议S.bus使用RS232C串口的硬件协议作为自己的硬件运行基础。使用TTL电平，即3.3V。使用负逻辑，即低电平为“1”，高电平为“0”。波特率：100000（100k）注意：不兼容波特率115200。S.bus软件协议每帧数据还有25字节。每字节含有12个比特，使用1个起始位“0”，8个数据位，1个奇校验位（8个数据位