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多旋翼飞行器设计与控制（二）—— 基本组成

2023-05-16

多旋翼飞行器设计与控制（二）—— 基本组成

一、机架

1、机身

指标参数：

  • 重量：尽可能轻
  • 轴距：外圈电机组成圆的直径
  • 材料：冲碳纤维就完了
  • 布局：

在这里插入图片描述

2、起落架

作用：

  • 支撑多旋翼重力
  • 避免桨叶离地太近
  • 减弱起飞时地效
  • 消耗和吸收着陆撞击能量

2、涵道

作用：

  • 保护桨叶和人身安全
  • 提高桨叶拉力效率
  • 减小噪音

工作原理：

当螺旋桨工作时，进风口内壁空速快静压小，外壁静压大，产生附加拉力

在这里插入图片描述

参数：

  • 扩散段长度
  • 螺旋桨直径

尽管涵道可以提升效率增加悬停 时间，但增加涵道的同时也会增加多 旋翼机的重量从而使悬停时间缩短， 因此最终的优化设计需要权衡与折中。

二、动力系统

动力系统包含螺旋桨、电机、电调和电池

1、螺旋桨

指标参数：

  • 螺距：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（这好像和螺丝的定义一样）

  • 型号：4位表示，前两位表示直径后两位表示螺距

  • 弦长

  • 转动惯量：小的转动惯量可以视为阻尼比小，因此可以提升电机作用的响应速度。

  • 桨叶数

  • 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

  • 螺旋桨力效：

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  • 静平衡：螺旋桨静平衡是指螺旋桨重心与轴心线重合时的平衡状态
  • 动平衡：螺旋桨动平衡是指螺旋桨重心与其惯性中心重合时的平衡状态

动平衡与静平衡的目的是减小震动

2、电机

  • 主要以无刷直流电机为主

  • 标称空载KV值：空载（不安装螺旋桨）情况下，外加1V电压得到的电机转速值

  • 标称空载电流和电压：在空载试验中，对电机施加空载电（通常为10V）时测得的电机电流被称为空载电流

  • 最大峰值电流/功率：电机能承受的最大瞬时通过的电流/功率

  • 最大持续电流、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

  • 内阻

  • 电机效率：

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  • 总力效：

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3、电调

基本功能是为电机调速

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  • 最大持续/峰值电流：安数不足会导致电调烧毁

  • 电压范围

  • 内阻：由于电调电流很大，因此会在内阻上产生较高的发热，因此要注意散热

  • 刷新频率：影响电机的响应速度

  • 可编程特性

  • 兼容性：电机与电调兼容不好会发生堵转

  • 方波驱动：数字信号控制工作在开关状态

  • FOC矢量控制：正弦驱动在运行平稳性、调速范围、减振减噪方面优于方波驱动。目前可采用光电编码器、霍尔传感器或者基于观测器的方法测量转子角度。因为多旋翼电机始终工作在高转速状态下，可以基于观测器的方法进行矢量调制。

4、电池

三、指挥控制系统

1、遥控器和接收机

指标参数：

  • 频率：常用2.4GHz，尽量避开障碍物

  • 调制方式：PCM（脉冲编码调制）与PPM（脉冲位置调制）

  • 通道：一个通道对应一个独立的动作

  • 控制模式：日本手和美国手

  • 油门：直接是油门和增量式油门

  • 遥控距离

2、自动驾驶仪

组成：GPS、IMU、气压计、测距模块、微型计算机、接口。

主要解决感知、控制与决策问题

3、地面站

4、数传

数传电台是指借助DSP 技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电台。采用数字信号处理、数字调制解调、具
有前向纠错、均衡软判决等功能的无线数据传输电台。数传电台一端接入计算机（地面站软件），一端接入多旋翼自驾仪，通讯采用一定协议进行，从而保持自驾仪与地面站的双向通讯。

指标参数：

  • 频率
  • 传输距离
  • 传输速率
  • 通信协议：MAVLink
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