多旋翼飞行器设计与控制·基本组成（笔记002）

一、总体介绍

二、机架

机身----------

参数指标：

起落架----------

作用：

涵道----------

作用：

参数

三、动力系统

螺旋桨----------

螺旋桨的指标参数：

静平衡和动平衡：

电机----------

电机的指标参数：

电调----------

电调的指标参数

方波驱动 V.S. 正弦波驱动

电池----------

电池的指标参数

四、指挥与控制系统

遥控器和接收器----------

指标参数

自动控制仪----------

地面站----------

数传----------

数传的指标

数传的通讯协议

一、总体介绍

二、机架

机身----------

机身是承载多旋翼所有设备的平台。多旋翼的安全性、可用性以及续航性能都和机身的布局密切相关。

因此在设计多旋翼时，其机身的尺寸、布局、材料、强度和重量等因素都是应该考虑的。

参数指标：

重量：机身的重量主要取决于其尺寸和材料。由于在相同拉力下，机身越轻意味着可分配的有效载荷越大，因此在保证机身性能的前提下，重量应尽量小。
轴距（Diagonal Size）：轴距是用来衡量多旋翼尺寸的重要参数，它通常被定义为外圈电机组成圆周的直径。
布局：
材料（参考http://aeroquad.com/showwiki.php?title=Frame-Materials）

起落架----------

作用：

支撑多旋翼重力
避免螺旋桨离地太近，而发生触碰
减弱起飞时的地效
消耗和吸收多旋翼在着陆时的撞击能量

涵道----------

伯努利原理：在一个流体系统，流速越快，流体产生的压力就越小。

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拉力。

注：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。

作用：

保护桨叶和人身安全
提高桨叶拉力效率
减少噪音

参数

扩散段长度和螺旋桨直径是影响涵道性能的主要参数，关于设计可参考

Hrishikeshavan V, Black J, Chopra I. Design and performance of a quad-shrouded rotor micro air vehicle. Journal of Aircraft, 2014, 51(3): 779-791

三、动力系统

动力系统通常包括螺旋桨、电机、电调以及电池
动力系统决定了多旋翼的主要性能，例如悬停时间、载重能力、飞行速度和飞行距离等等
动力系统的部件之间需要相互匹配与兼容，否则很可能无法正常工作，甚至在某些极端情况下突然失效导致事故发生

螺旋桨----------

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。

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

螺旋桨的指标参数：

转动惯量：较小的转动惯量可以提升电机的响应速度，从而提升多旋翼的性能。
桨叶数：有实验表明，二叶桨的力效会比三叶桨稍高一些，最大拉力相同的前提下，二叶桨直径要比三叶桨直径大
安全转速
螺旋桨力效：

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
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

电机----------

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

电机的指标参数：

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2212（或写成22×12）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2212电机表示电机定子直径是22mm，定子高度为12mm。
标称空载KV值：无刷直流电机的KV值指的是空载情况下，外加1V电压得到的电机转速值（单位：RPM）。 大型螺旋桨可以选用KV值较小的电机，而小型螺旋桨可以选用KV值较大的电机
标称空载电流和电压：在空载（不安装螺旋桨）试验中，对电机施加空载电压（通常为10V）时测得的电机电流被称为空载电流。
最大电流/功率：
最大峰值（瞬时）电流/功率：电机能承受的最大瞬时通过的电流/功率

最大连续（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
电机效率：电机效率是评估性能的一个重要参数
总力效：

电调----------

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

1）电调最基本的功能就是电机调速

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

4）电调还有一些其它辅助功能

电调的指标参数

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“3-4S LiPo”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.动力系统

3）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。

4）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。

5) 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

6）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

方波驱动 V.S. 正弦波驱动

方波驱动 ：方波是数字信号，控制元件工作在开关状态，电路简单容易控制发热小等 优点。
正弦波驱动（矢量控制，Field Oriented Control）：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，节约成本。

电池----------

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。

航模专用锂聚合物电池（LiPo电池）单节电芯的标称电压是3.7V，充满电可达4.2V，通常设定放电后的保护电压为3.6V左右。

电池的指标参数

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，容量是单个电池的两倍。
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，所以导致其剩余电量与放电时间并 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)，一般无人机在低于3.6V之前会电量报警

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，越大表明放电越快。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100A 。
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。
放电电流不能超过其最大电流限制，否则可能烧坏电池

4）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。常随着电池状态和使用寿命变化而变化
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。

5）能量密度

能量密度指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小

注意：这个能量和容量是不同的，容量带有时间额参数！！！

四、指挥与控制系统

遥控器和接收器----------

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。

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Pulse Position 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，一般有六通道、十通道等。多旋翼在控制过程中需要控制的动作路数有：油门、偏航、俯仰、滚转，所以至少得四个通道遥控器。

4）控制模式 -- 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“油门+偏航”，右手为“俯仰+滚转”。日本手则是左手“俯仰+偏航”，右手 “油门+滚转”。目前，国内多旋翼操控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。

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

自动控制仪----------

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）接收器

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

3）气压计和超声波测距模块

4）微型计算机

5）接口

px4可以看作四stm32改造而来的！

1）感知。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。对应第七、八、九讲

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。对应第十、十一、十二讲

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。对应第十三、十四讲

地面站----------

• 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----------

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。

数传的指标

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

数传的通讯协议

• 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最初由劳伦兹·迈耶根据LGPL（Lesser General 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。