多旋翼基本组成

来源:互联网 发布:如何评价蛤 知乎 编辑:程序博客网 时间:2024/06/05 09:59

一 总体认识

多旋翼三大系统

•机身

•动力系统

•控制系统(导航模块、控制模块、决策模块)


二 机身主体:

机架


(1)作用

多旋翼的承载平台,所有设备都是用机架承载。因此,多旋翼的机架的好坏,很大程度上决定了这架多旋翼是否好用。衡量一个机架的好坏,可以从耐用性和安全性、使用方便程度、元器件安装是否合理等等方面考察。

(2)指标参数 

1)重量

 2)轴距(DiagonalSize) :轴距是指对角线两个螺旋桨中心的距离,单位通常是毫米(mm),用于表达机架的尺寸大小。比如:大疆风火轮F450,轴距450mm;大疆风火轮F550轴距550mm。

(3)材料


起落架


 作用:

1)支撑多旋翼重力

2)避免螺旋桨离地太近,而发生触碰

3)减弱起飞时的地效

4)消耗和吸收多旋翼在着陆时的撞击能量

涵道


(1)作用

1)保护桨叶和人身安全

2)提高升力效率

3)减少噪音

(2)工作原理

工作原理为:当螺旋桨工作时,进风口内壁空气速度快静压小,而进风口外壁静压大,因此涵道能产生附加升力。

 (3)参数

1)重量

2)升力效率:实际上涵道需要优化设计,包括扩散段长度与螺旋桨的半径比例等

云台


(1)作用

1)支撑多旋翼重力多旋翼在飞行中产生倾斜时,云台能平稳转动使照相机光轴变化平缓,有利于视频输出平滑及目标检测

2)减少了多旋翼在飞行过程中因外部因素导致的相机抖动

(2)工作原理

通过角度传感器测量角度,进一步姿态是由两台执行电动机来实现,电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位。

(3)指标参数

1)重量

2)负载重量

3)角度控制精度 目前的云台的控制精度 都能在±0.02°

4)最大可控转速

5)可控转动范围

螺旋桨


(1)作用

1)螺旋桨是直接产生推力的部件,同样是以追求效率为第一目的。

2)匹配的电机、电调和螺旋桨搭配,可以在相同的推力下耗用更少的电量,这样就能延长多旋翼的续航时间。因此,选择最优的螺旋桨是提高续航时间的一条捷径。

2)指标参数

1)型号 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(Propeller Pitch)。显然,桨叶的角度越大,螺距也越大,角度与旋转平面角度为0, 螺距也为0。螺旋桨一般用4个数字表示,其中前面2位是螺旋桨的直径,后面2位是螺旋桨的螺距。比如:1045桨的直径为10英寸,而螺距为4.5英寸。

2)弦长


3)转动惯量

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。

4)桨叶数

对于多旋翼,2叶桨的性能最优。

5)安全转速

安全转速的计算,要保证在所有可能工况下不超过最高允许转速。比如:APC网站[3]上给出他们提供的多旋翼桨(Multi-Rotor (MR) Propellers)的最大桨速(rpm,revolutions per minute,转/分钟)是105000/prop diameter (inches)。以最常用的10寸桨为例,多旋翼桨最大桨速为10500rpm。慢飞桨(Slow Flyer (SF) Propellers)最大桨速只有65000/prop diameter (inches)。因此,选择螺旋桨要注意使用场合。

6)材料 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。

(3)静平衡和动平衡

•进行静平衡和动平衡的目的是减少振动

•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;而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

•出现不平衡的情况时,可以通过贴透明胶带到轻的桨叶,或用砂纸打磨偏重的螺旋桨平面(非边缘)来实现平衡。

三 动力系统:

电机:

              外转子(Outer rotor)电机                          电机内转子(Inner rotor)电机


(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。无刷直流电机运转时靠电子电路换向(与有刷直流电机不同,无刷直流电机使用电子方式换向。要使BLDC转起来,必须要按照一定的顺序给定子通电,那么我们就需要知道转子的位置以便按照通电次序给相应的定子线圈通电。定子的位置是由嵌入到定子的霍尔传感器感知的。通常会安排3个霍尔传感器在转子的旋转路径周围。无论何时,只要转子的磁极掠过霍尔元件时,根据转子当前磁极的极性霍尔元件会输出对应的高或低电平,这样只要根据3个霍尔元件产生的电平的时序就可以判断当前转子的位置,并相应的对定子绕组进行通电),这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰,也减小了噪音。它一头固定在机架力臂的电机座,一头固定螺旋桨,通过旋转产生向下的推力。不同大小、负载的机架,需要配合不同规格、功率的电机。

(2)基本原理

每一次换向都会有一组绕组处于正向通电;第二组反相通电;第三组不通电。转子永磁体的磁场和定子钢片产生的磁场相互作用就产生了转矩,理论上,当这两个磁场夹角为90°时会产生最大的转矩,当这两个磁场重合时转矩变为0,为了使转子不停的转动,那么就
需要按顺序改变定子的磁场,就像转子的磁场一直在追赶定子的磁场一样。典型的“六步电流换向”顺序图展示了定子内绕组的通电次序

(3)指标参数

1)尺寸一般用4个数字表示,其中前面2位是电机转子的直径,后面2位是电机转子的高度。简单地说,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。比如:2212电机表示电机转子的直径是22mm,电机转子的高度是12mm。

 

 

  2)标称空载KV值 无刷电机KV值定义为“ 转速/伏特”,意思为输入电压增加1伏特,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,无法评价电机的好坏,因为不同KV值有适用不同尺寸的桨。

3)标称空载电流和电压在空载试验时,对电动机施加标称空载电压(通常为10V),使其不带任何负载空转,定子三相绕组中通过的电流,称为标称空载电流

4)最大瞬时电流/最大持续电流 电机能承受的最大瞬时通过的电流,电机能允许持续工作而不烧坏的最大连续电流

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

电调

 (1)  作用

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

1)电调最基本的功能就是电机调速(通过飞控板给定PWM信号进行调节

2)为遥控接收器上其它通道的舵机供电

3)充当换相器的角色,因为无刷电机没有电刷进行换相(直流电源转化为三相电源供给无刷电机,并对无刷电机起调速作用),所以需要靠电调进行电子换相

4)电调还有一些其它辅助功能,如电池保护,启动保护、刹车等

(2)指标参数


1)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。

•更具体地,无刷电调有持续电流和X秒内瞬时电流两个重要参数,前者表示正常时的电流,而后者表示X秒内的容忍的最大电流。

•选择电调型号的时候一定要注意电调最大电流的大小是否满足要求,是否留有足够的安全裕度容量,以避免电调上面的功率管烧坏。

2)内阻

电调具有相应内阻,其发热功率需要得到注意。有些电调电流可以达到几十安培,发热功率是电流的平方的函数,所以电调的散热性能也十分重要,因此大规格电调内阻一般都比较小。

3)刷新频率

电机的响应速度与电调的刷新速率有很大关系。在多旋翼开始发展之前,电调多为航模飞机而设计,航模飞机上的舵机由于结构复杂,工作频率最大为50Hz。相应地,电调的刷新速率也都为50Hz。多旋翼与其它类型飞机不同,不使用舵机,而是由电调直接驱动,其响应速度远超舵机。目前,具备UltraPWM功能的电调可支持高达500Hz的刷新率。

4) 可编程特性

通过内部参数设置,可以达到最佳的电调性能。通常有三种方式可对电调参数进行设置:

•可以通过编程卡直接设置电调参数

•通过USB连接,用电脑软件设置电调参数

•通过接收器,用遥控器摇杆设置电调参数。设置的参数包括:电池低压断电电压设定、电流限定设定、刹车模式设定、油门控制模式、切换时序设定、断电模式设定、起动方式设定以及PWM 模式设定等等

5)兼容性 如果电机和电调兼容性不好,那么会发生堵转,即电机不能转动了

电池


(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。现在可用来做模型动力的电池种类很多,常见的有锂电池(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。然而,对于多旋翼无人机而言,电池单位重量的能量载荷很大程度上限制了其飞行时间和任务拓展。

(2)指标参数

 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,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。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,电流是单个电池的两倍。

• 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。

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,所以导致其剩余容量与放电时间并非是线性关系。

•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,另一种方式是实时检测电池输出电流做积分计算。

•注意: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3.6V时会电量报警

3)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。电池放电倍率是表示放电快慢的一种量度。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 。锂聚合物电池一般属于高倍率电池,可以给多旋翼提供动力

3)内阻

•欧姆内阻主要是指由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成,与电池的尺寸、结构、装配等有关。

•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。常随电流密度的对数增大而线性增加。

•电池的内阻很小,我们一般用毫欧的单位来定义它。正常情况下,内阻小的电池的大电流放电能力强,内阻大的电池放电能力弱。

四 控制系统

遥控器和接收器


(1)作用

 遥控器发送飞控手的遥控指令到接收器上,接收机解码后传给飞控制板,进而多旋翼根据指令做出各种飞行动作。遥控器可以进行一些飞行参数的设置,例如:油门的正反,摇杆灵敏度大小,舵机的中立位置调整,通道的功能定义,飞机时间记录与提醒,拨杆功能设定。高级功能有航模回传的电池电压电流数据等等。

左边定义是针对 固定翼的定义。与多旋翼对应关系如下:


(2)指标参数

1)频率

•常用的无线电频率是72MHz与2.4GHz,目前采用的最多的是2.4GHz遥控器。

•2.4GHz技术属于微波领域,有如下几个优点:频率高、同频几率小、功耗低、体积小、反应迅速、控制精度高。

•2.4G微波的直线性很好,换句话说,控制信号的避让障碍物的性能就差了。控制模型过程中,发射天线应与接收天线有效的形成直线,尽量避免遥控模型与发射机之间有很大的障碍物(如房屋及仓库等)。

2)调制方式

•PCM是英文Pulse-Code Modulation的缩写,中文的意思是:脉冲编码调制,又称脉码调制。PPM是英文PulsePosition Modulation的缩写,中文意思是:脉冲位置调制,又称脉位调制,前者指的是信号脉冲的编码方式,后者指的是高频电路的调制方式。

•PCM编码的优点不仅在于其很强的抗干扰性,而且可以很方便的利用计算机编程,不增加或少增加成本,实现各种智能化设计。相比PCM编码,PPM比例遥控设备实现相对简单,成本较低,但较容易受干扰。

3)通道

 一个通道对应一个独立的动作,一般有6通道和10通道。多旋翼在控制过程中需要控制的动作路数有:上下、左右、前后、旋转所以最低得4通道遥控器。

 4)美国手和日本手

美国手和日本手就是遥控杆对应的控制通道的设置不同。美国左手操作杆是“升降+偏航”,右手为“俯仰+滚转”。日本手则相反。目前,国内以美国手遥控器为主。

5)油门

• 油门杆不会自动回中,最低点为0%油门,最高点为100%油门。这种油门主要对应的是期望的推力的大小, 称直接式油门。

•还有一种油门是松手油门自动回中,属于增量式油门。这种油门大小对应的是期望的速度大小。油门回中,多旋翼的期望速度为零,也就意味着多旋翼在当地悬停。

6)遥控距离 根据功率不同,遥控器控制的距离也有所不同。遥控器上也可以使用带有功率放大(Power Amplifier,PA)模块,带有鞭状天线,可以增大操控距离

自动驾驶仪(飞控)


(1)      组成

多旋翼自动驾驶仪,分为软件部分和硬件部分。包括:

1)全球定位系统(GPS),得到多旋翼的位置信息;

2)惯性测量单元(IMU),包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、电子罗盘(或 磁力计),目的是得到多旋翼的姿态信息;市面上常说的6轴IMU是包含了三轴加速度计和三轴陀螺仪,9轴IMU是包含了三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计,而10轴IMU则是在9轴IMU基础上多了气压计这一轴;

3)气压计和超声波测量模块,目的是得到多旋翼绝对(气压计)或相对高度信息(超声波测量模块);

4)微型计算机,算法计算平台;

5)接口,与各种传感器和电调、通讯设备等的硬件接口。

(2)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,是自驾仪飞控要做的首要的事情。

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决定的,也可能是为了安全,按照规定流程的紧急处理方案。

(3)开源自驾仪:如上图所示

地面站


(1)作用

•地面站软件是多旋翼地面站的重要组成部分

•操作员通过地面站系统提供的鼠标、键盘、按钮和操控手柄等外设来与地面站软件进行交互

•预先规划好本次任务的航迹,对多旋翼的飞行过程中飞行状况进行实时监控和修改任务设置以干预多旋翼飞行。

•任务完成后还可以对任务的执行记录进行回放分析

数传


(1)作用

 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。

(2)指标

1)频率。可选择:433MHz或915MHz。美洲地区可用915 MHz,欧洲和中国等一般用433 MHz,对915 MHz频段是禁用的。

2)传输距离

3)传输速率

(3)通讯协议

•通信协议又称通信规程,是指通信双方对数据传送控制的一种约定。只要按照一定的通讯协议,可以使得地面站软件通用起来,可以兼容不同的自驾仪。

•MAVLink通讯协议是一个为微型飞行器设计的非常轻巧的、只由头文件构成的信息编组库。MAVLink最初由L. Meier根据LGPL(LesserGeneral Public License)许可在2009年初发表。Openpilot自驾仪采用了UAVTalk协议与地面站进行通讯。

 


 (以上为对北航课件内容自我学习总结)



0 0
原创粉丝点击