无人机设计过程中的计算和假设

当我们想要设计一架新的无人机时，首先要确定我们要设计一架什么样的无人机，例如多大的起飞重量、几个旋翼、续航时间等。无人机工程过程通常作为“设计循环”运行，指的是设计过程的循环性质。构建无人机的第一个版本依赖于某些假设，其中许多会随着组件的选择和设计的结合而改变。

在本文中，我们将介绍：

找一款合适的电池增加飞行时间。
如何选择无人机电机和螺旋桨（附数据库）？
替换组件以最大限度地提高效率。
如何选择电调？
如何计算无人机飞行时间？

当设计人员查看设计的第一个版本与假设有何不同时，设计循环就开始了，然后带着新信息回到起点（图1）。

在我们之前的文章“如何增加无人机的飞行时间和升力？”中，我们介绍了设计过程的第一阶段并达到了我们设计的第一个版本。在本文中，我们将从上次中断的地方开始，看看我们的假设是如何成立的。

我们开始设计过程时假设我们的无人机重777克并且能够自行飞行。根据这些假设，我们预测每个螺旋桨悬停飞行需要1.9N的拉力，因此我们寻找在1.9N时最有效的电机-螺旋桨组合。一旦找到最有效的组合，我们就拥有了所需的工具估计我们的飞行时间，这是我们今天开始的地方。

对于本文，我们将更精确地了解我们组件的质量。我们将假设我们的777g无人机的质量分解如下：

电机(4)：148克
螺旋桨(4)：13.5克
电池(1)：155克
其他组件（相机、框架、ESC等）：460.5克

飞行时间

我们的目标是最大限度地延长无人机的飞行时间，使其能够尽可能长时间地悬停。在我们之前的文章中，我们模拟了具有不同电池容量的无人机的飞行时间（图2）。

我们假设我们的设计将包括Turnigy纳米技术1300mAh 4S电池，并将其质量包括在我们的整体计算中。电池的容量刚刚超过19.2Wh(14.8V*1.3Ah=19.2Wh)，这发生在图表的增长阶段，只给了我们大约4.5分钟的飞行时间。如果我们增加电池容量，我们也可以增加飞行时间，但代价是增加重量。这是设计循环开始的地方，因为我们交换组件以尝试构建最能满足我们需求的无人机。

选择新电池达到最长的飞行时间

直到0.2小时标记，飞行时间随着电池容量的增加而增加，但在大约100-125Wh之后，边际收益变得不那么显着。出于这个原因，我们将首先将旧电池更换为容量约为100-125Wh的新电池，以增加我们的飞行时间。Turnigy 5000mAh 6S锂聚合物电池组非常符合我们的标准，容量为111Wh（图3）。

图3：Turnigy 5000mAh/111Wh LiPo电池（照片：HobbyKing）

与仅重155克的旧电池相比，这款新电池重达655克。假设我们所有其他组件保持不变，为622克，我们无人机的总质量现在为1277克。因此，我们需要为无人机悬停产生至少12.5N的拉力(1.277kg*9.81)，每个螺旋桨仅超过3.1N。我们还希望至少实现两倍的拉力以获得良好的控制权，因此我们将寻找在3.1N时效率最高的螺旋桨，但也可以实现高达6.2N的拉力。

回顾一下，我们的候选名单中有三个螺旋桨：

6030R Gemfan => 直径：6"，螺距：3"，质量2.22g
6040R King Kong => 直径：6"，螺距：4"，质量3.38g
5030R Gemfan => 直径：5"，螺距：4"，质量3.00g

我们将假设我们的无人机框架已设置并且我们的螺旋桨直径不能超过6英寸。我们可以通过查看电机、螺旋桨和ESC的RCbenchmark数据库来了解我们的三个螺旋桨候选者。拉力、扭矩、RPM、功率、效率等测试数据是使用我们的一个推进测试台收集的，对于这款无人机，RCbenchmark 1585系列可能是最合适的。

对于我们的候选者，数据库中的数据告诉我们，所有三个螺旋桨都达到了3.1N的悬停拉力，但只有6040R King Kong接近最大拉力6.2N(0.63 kgf)（图 4）。

这些结果表明，要么我们的电池太重，要么我们的电机/螺旋桨组合没有产生足够的拉力。我们的目标是尽可能延长飞行时间，因此与其立即寻找更小的电池，不如探索更多适合我们框架限制但产生更大拉力的螺旋桨。

选择新的螺旋桨和电机

我们的框架限制我们使用直径为6英寸或更小的螺旋桨，但我们仍然可以尝试我们的螺距、材料和品牌。我们将使用无人机组件数据库过滤直径为6英寸并产生至少6.2N(0.63kgf)力的螺旋桨。此搜索提供了几个不错的选择，但为简单起见，我们将其缩小到产生最大拉力的三个候选者：

螺旋桨1 → 直径：6”，螺距：4”，质量：3.38g，材料：塑料
螺旋桨2 → 直径：6”，螺距：4”，质量：4.32g，材质：尼龙
螺旋桨3 → 直径：6”，螺距：4.5”，质量：6.78g，材质：碳纤维(CF)

如图5所示，我们所有的螺旋桨候选者都可以产生10N(1kgf) 或更大的拉力。出于这个原因，我们可以瞄准5N的悬停拉力和10N的最大拉力，这将使我们能够用相同的推进装置举起更大的电池。

如图6所示，在我们最初的3.1N(0.32kgf) 悬停拉力和新的5.0N(0.51kgf) 悬停拉力下，螺旋桨1和螺旋桨2的效率非常相似，仅相差约0.1gf/W。Propeller2的效率稍高一些，但也更重。这种增加的重量可能导致更短的飞行时间，并为电池留下更少的质量。在四轴飞行器中，总差异为3.76g ((4.32 g-3.38 g)*4)。

在快速浏览在线市场后，很明显4g在这种尺寸的电池容量方面没有任何区别。出于这个原因，以及4g质量对我们的无人机的影响可以忽略不计，使用螺旋桨2是有意义的，因为它的效率更高。

我们的下一步将是在我们新的5N悬停拉力下找到最有效的无刷电机。一般来说，我们正在寻找一种可以超过10N最大拉力的电机，但不会太大一个边距。我们不想让电机以最大速度运行太长时间，但我们也不想拖运产生比我们需要的更多拉力和扭矩的电机。

在我们之前测试的两个电机中，MultiStar Elite 2306 2150 Kv和EMAX RSII 2207 2300 Kv，只有 2300 Kv电机满足我们的最大拉力要求（图7）。因此，我们将不得不使用电机数据库来寻找新的候选者。

从数据库中，我们找到符合我们标准的Hypetrain Blaster 2207 2450 Kv。我们对与螺旋桨2配对的两个电机中的每一个进行了测试，结果如图8所示。电机2，EMAX RSII 2207 2300 Kv，在我们悬停工作点5N(0.51kgf) 并且在我们的最大拉力为10N(1.02kgf) 时它也恰好更有效。悬停拉力的效率差异约为2.2%(55.6% vs. 53.4%)，但 2300 Kv电机也更轻(32.37g vs. 36.96g)，因此我们很容易做出决定。

选择适合我们新设计的最长飞行时间的新电池

现在是总结我们组件质量的好时机，因为我们的螺旋桨和电机的质量以及我们的悬停拉力都发生了变化。这是新的细分：

电机(4)：129.5克
螺旋桨(4)：17.3克
其他组件（相机、框架、ESC等）：460.5克
前电池质量：607.3克
最大质量：~ 2000克

基于这些新值，我们的电池可用质量为1392.7克。

由于我们还选择了电机和螺旋桨，我们还可以确定我们的放电（C等级）需求，这也是选择电池的一个考虑因素。我们希望确保我们的电机不会消耗超过电池所能提供的电流，否则电池可能会迅速退化或过热。确定电池电流消耗的公式是：电流 (A) = C 额定值 * 容量 (Ah)。

网上没有关于EMAX RSII 2207 2300 Kv的连续电流或突发电流的信息，但我们可以查看 RCbenchmark数据库中的数据并比较使用该电机完成的所有测试。如图9所示，在各种测试中达到的最大电流约为42A。

Turnigy高容量16000mAh 4S 12C Lipo Pack在我们重量范围内的所有电池中具有最高的Wh容量，为我们提供4*3.7*16=236.8Wh。它重1366克，具有12C的放电额定值和16Ah的容量，因此它可以处理192A的电流消耗，这超出了我们的需要。

选择ESC

选择ESC的主要考虑因素是它可以提供电机的峰值电流。在我们的例子中，我们不希望我们的电机超过42A，所以像HobbyKing 60A ESC 4A SBEC这样的ESC会很好用。它可以提供高达60A的恒定电流和高达80A的突发电流，同时为BEC提供4A电流。这给了我们一点安全余量，所以这款ESC将是我们无人机的不错选择。

图10：HobbyKing 60A ESC 4A SBEC（照片：HobbyKing）

计算我们的飞行时间

正如我们在上一篇文章中了解到的，飞行时间取决于电池容量和推进系统消耗的功率。因此，许多因素发挥作用，总结在下面的公式中。

E = 容量；σ = 能量密度；M = 质量克 (g)

我们可以将我们的推进测试数据复制并粘贴到这个方便的飞行时间计算器中，插入我们的重量和电池容量，它将根据我们的数据为我们提供对飞行时间的最佳估计。我们预计的飞行时间为15.2分钟（图11），与我们最初的设计（只有大约4.5分钟的飞行时间）相比，这是一个显着的改进。

结论

正如我们所见，无人机设计过程是周期性的，几乎总是有改进设计的空间。收集推进数据是确定无人机有哪些改进空间的最佳方法之一，我们提供了许多测试台和工具来帮助您做到这一点。

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