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1、2.1.2多旋翼无人机系统的组成多旋翼无人机系统的组成多旋翼无人机的基本组成有机身和起落架、电机（电动机）、电调(电子调速器)、飞控(飞行控制器)、螺旋桨、动力电池、遥控装置（遥控发射器和接收器）等，原理为遥控器发射遥控信号-遥控接收器收到信号传输给飞控，飞控将遥控信号转化传输给电调，电调通过调节不同电机的供电电压以控制螺旋桨的旋转速度从而完成前后左右高低上下的飞行动作，而电池负责供电，机架将所有的零件固定在一起。下面以大疆筋斗云DJIS1000+为例进行介绍。1机身和起落架图2.3DJIS1000+飞行器机身由中心板、机臂（包含电机、电调和螺旋桨）、智能起机身由中心板、机臂（包含电机、电调和
2、螺旋桨）、智能起落架等组成。落架等组成。图图2.4 DJI S1000+飞行器中心板飞行器中心板专业多旋翼航拍飞行器的机身和起落架多用强度高而重量轻的碳纤维复合材料制作。和传统金属材料相比，复合材料具有比强度和比刚度高、热膨胀系数小、抗疲劳能力和抗振能力强的特点，将它应用于无人机结构中可以减重25-30。为了携带方便，多旋翼飞行器常作成机臂可折叠结构，而且智能起落架能够在飞行器起飞后离开地面一定高度时可遥控升起或折叠，使相机随云台转动时视线不被遮挡。图2.5折叠后的DJIS1000+图2.6飞行中起落架收起2电机多旋翼无人机一般采用外转子无刷电机（定子为绕组与硅钢片组成的框架，转子磁钢在电机外
3、部旋转）作动力。它的优点是转动惯量大、转动平稳、转矩大、磁铁好固定。无刷电机相对有刷电机寿命更长、性能更稳定。普通的直流电机是利用碳刷进行换向的，碳刷换向存在很大的缺点，例如机械换向产生的火花引起换向器和电刷摩擦、电磁干扰、噪声大、寿命短、结构复杂、可靠性差、故障多，需要经常维护等。而无刷直流电机在电机性能上和直流电机性能相近，同时电机没有碳刷。无刷电机是通过电子换向达到电机连续运转目的的。无刷电机的换向模式分为方波和正弦波驱动，就其位置传感器和控制电路来说，方波驱动相对简单、价廉而得到广泛利用。目前，多旋翼无人机多采用方波驱动无刷电机。外转子无刷电机的命名原则，各个厂家有所不同，有以电机定子
4、的直径和高度来命名，也有以电机的直径和高度来命名。多旋翼无人机所用的电机大多都是以电机定子的直径与高度来命名。例如大疆的DJI4114电机，指的是该电机定子直径41MM，定子高度14MM。图2.7DJI4114电机和桨夹图2.8无刷电机定子和转子无刷电机的一个重要参数是KV值，它是指电机输入电压每提高1伏特，电机空载转速提高的量。例如大疆的DJI4114电机的KV值是400prm/V，即说明电机空载情况下加1伏特电压转速为每分钟400转，2伏特电压每分钟800转，依此类推。同型号电机(比如都是4114)低KV值比高KV值提供的扭力大，类似于汽车一挡的速度虽然慢，但是爬坡更容易。但是低KV值需要
5、配大螺旋桨，如果搭配不合适会造成严重的反扭现象。另外，像电机重量、最大拉力、最大起飞重量等也是无刷电机重要参数。3电调电调的全称是电子调速器，针对电机不同可分为有刷电子调速器和无刷电子调速器，它根据控制信号调节电动机的转速。无刷电调输入是直流，可以接稳压电源，或者锂电池。一般的供电都在2-6节锂电池左右。输出是三相脉动直流，直接与电机的三相输入端相连。如果上电后，电机反转，只需要把这三根线中间的任意两根对换位置即可。无刷电调有一对信号线连出，用来与飞控系统连接，控制电机的运转。多旋翼无人机需要使用专用电调，以适应多轴快速反应。无刷电调的主要参数有输入电压范围、输出持续电流和最大允许瞬时电流、兼
6、容信号频率等。多旋翼航拍无人机通常为11.1V22.2V（3-6节锂电池）直流电压，持续电流20A40A，兼容信号频率30-450Hz。一些通用型电调还带有BEC（batteyeliminationcircuit免电池电路）输出，例如5V/2A，可以为飞控和遥控接收器等设备供电。但是如果这些设备需要的供电电流大于BEC所能提供的电流，就需要专门的供电设备来供电。大疆的DJIS1000+使用的是4114专用电调，工作电流40A，工作电压6SLiPo（6节锂电池），兼容信号频率30Hz-450Hz。图2.9DJI4114专用电调4.螺旋桨靠桨叶在空气中旋转将发动机转动功率转化为推进力或升力的装置，
7、简称螺旋桨。它由多个桨叶和中央的桨毂组成，桨叶好像一扭转的细长机翼安装在桨毂上，发动机轴与桨毂相连接并带动它旋转。直升机旋翼和尾桨也是一种螺旋桨。螺旋桨旋转时，桨叶不断把大量空气向后（向下）推去，在桨叶上产生一向前（向上）的力，即推进力。一般情况下，螺旋桨除旋转外还有前进速度。如截取一小段桨叶来看，恰像一小段机翼。桨叶上的气动力在前进方向的分力构成拉力。在旋转面内的分量形成阻止螺旋桨旋转的力矩，由发动机的力矩来平衡。对于固定翼来说主要提供的是推力，对于多轴来说提供是的升力。在不超负载的情况下，飞机可以更换很多不同的桨，同样可以飞起来，但是飞行效果和续航时间，却是大相径庭。螺旋桨选得适合，飞行更
8、稳，航拍效果和续航时间都兼得，选得不好可能效果就相反了。图2.10桨叶的剖面和飞机机翼的升力原理图2.11两叶浆和三叶浆螺旋桨有2、3或4个桨叶,一般桨叶数目越多吸收功率越大。多旋翼飞行器的螺旋桨一般使用两叶浆，同电机类似，螺旋桨也有如8045,9047等4位数字标示，前面2位代表螺旋桨的直径，也就是长度，单位是英寸。但是要注意，9047是直径9英寸螺旋浆，而1045是直径10英寸螺旋浆。后面两位数是指几何螺距，螺距原指螺纹上相邻两牙对应点之间的轴向距离，可以理解为螺丝转动一圈前进的距离。而螺旋桨的螺距是螺旋桨在固体介质内无摩擦旋转一周所前进的距离。简单来说可以理解为螺旋桨桨叶的“倾斜度”，螺
9、距标称越大倾斜度越大。螺旋桨长度和螺距越大，所需要的电机或发动机级别就越大。螺旋桨的长度越大，某种程度上能够保证飞机俯仰稳定性越高，螺距越大飞行速度越快。四轴飞行器为了抵消螺旋桨的自旋，相邻的螺旋桨旋转方向是不一样的，所以需要正反桨。正反桨的风都向下吹。顺时针旋转的叫正桨（CW）、逆时针旋转的是反桨（CCW）。安装的时候一定记得无论正反桨有字的一面是向上的。大疆DJIS1000+使用的螺旋桨是可折叠桨，每个螺旋桨由两片1552碳纤维桨叶和一个桨座组成。5.飞行控制器无人机之所以能够在空中自主飞行，就是因为无人机也和人类一样，也拥有一个大脑，那就是无人机的核心-飞控，也称自驾仪。有了这套自驾仪，
10、通过地面端的电脑或者手机就可以控制一架飞机自主起飞、自主导航、自主降落了。（1）飞行控制原理。飞行控制器简称飞控，飞控内部由一些传感器和多块单片机构成。现在的飞控内部使用的都是由三轴陀螺仪，三轴加速度计，三轴地磁传感器和气压计组成的一个IMU（Inertialmeasurementunit），也称惯性测量单元。三轴陀螺仪，三轴加速度计，三轴地磁传感器中的三轴指的就是飞机左右、前后、垂直方向上这三个轴，一般都用XYZ来代表。X轴叫做横滚轴，Y轴叫做偏航轴，是Z轴叫做俯仰轴。图2.13飞机的三个运动轴我们都知道，陀螺在不转动的情况下它很难站在地上，只有转动起来了，它才会站立在地上，或者说自行车，轮
11、子越大越重的车子就越稳定，转弯的时候明显能够感觉到一股阻力，这就是陀螺效应，根据陀螺效应，人们发明出陀螺仪。最早的陀螺仪是一个高速旋转的陀螺，通过三个灵活的轴将这个陀螺固定在一个框架中，无论外部框架怎么转动，中间高速旋转的陀螺始终保持一个姿态。通过三个轴上的传感器就能够计算出外部框架旋转的度数等数据。图2.14三轴陀螺仪示意图由于成本高，机械结构的复杂，现在都被电子陀螺仪代替，电子陀螺仪的优势就是成本低，体积小重量轻，只有几克重，稳定性还有精度都比机械陀螺高。陀螺仪在飞控中起到的作用，就是测量XYZ三个轴的倾角。三轴加速度计也是XYZ三个轴。当我们开车起步的一瞬间就会感到背后有一股推力，这股推
12、力就是加速度，加速度是速度变化量与发生这一变化时间的比值，是描述物体变化快慢的物理量，例如一辆车在停止状态下，它的加速度是0，起步后，从每秒0米到每秒10米，用时10秒，这就是这辆车的加速度，如果车以每秒10米的速度行驶，它的加速度就是0，同样，用10秒的时间减速，从每秒10米减速到每秒5米，那么它的加速度就是负数。三轴加速度计就是测量飞机XYZ三个轴的加速度。（2）高度测量。我们日常出行都是根据路标或记忆来寻找自己的面向的，地磁传感器就是感知地磁的，就是一个电子指南针，它可以让飞机知道自己的飞行朝向，机头朝向，找到任务位置和家的位置。气压计是测量当前位置的大气压，我们知道高度越高，气压越低，
13、这就是人到高原之后为什么会有高原反应了。气压计是通过测量不同位置的气压，计算压差来获得当前的飞行的高度。（3）姿态角度测量。飞控最基本的功能是控制一架飞机在空中飞行时的平衡，是由IMU测量，感知飞机当前的倾角数据通过编译器编译成电子信号，将这个信号实时传输给飞控内部的单片机，根据飞机当前的数据，计算出一个补偿方向，补偿角，然后将这个补偿数据编译成电子信号，传输给舵机或电机，舵机或电机再去执行命令，完成补偿动作，然后传感器感知到飞机平稳了，将实时数据再次给单片机，单片机会停止补偿信号，这就形成了一个循环。大部分飞控基本上都是10HZ的内循环，也就是1秒刷新十次。这就是飞控最基本的功能，如果没有此
14、功能，当一个角一旦倾斜，那么飞机就会快速的失去平衡导致坠机，或者说没有气压计测量不到自己的高度位置就会一直加油门或者一直降油门。（4）位置测量。有了最基本的平衡、定高和指南针等功能，还不足以让一架飞机能够自主导航，就像我们去某个商场一样，首先我们需要知道商场的所在位置，知道自己所在的位置，然后根据交通情况规划路线。飞控也是如此，首先飞控需要知道自己所在位置，那就需要定位，也就是我们常说的GPS。现在全球有GPS、北斗、GLONASS、Galileo四大卫星定位系统，由于GPS定位系统较早，再加上是开放的，所以大部分飞控采用的都是GPS，也有少数采用的北斗定位。定位精度基本都在3米以内，一般开阔
15、地都是50厘米左右，因环境干扰，或建筑物、树木之类的遮挡，定位可能会有偏差，还有可能定位的是虚假信号。这也就是为什么民用无人机频频坠机、飞丢的一个主要原因。图2.15DJIGPS模块GPS定位原理是三点定位，天上的GPS定位卫星距离地球表面22500千米处，它们所运动的轨道正好形成一个网状面，也就是说在地球上的任意一点，都有可以同时收到3颗以上的卫星信号。卫星在运动的过程中会一直不断的发出电波信号，信号中包含数据包，其中就有时间信号。GPS接收机通过解算来自多颗卫星的数据包，以及时间信号，可以清楚的计算出自己与每一颗卫星的距离，使用三角向量关系计算出自己所在的位置。GPS也定位了，数据也有了，
16、这个信号也会通过一个编译器再次编译成一个电子信号传给飞控，让飞控知道自己所在的位置、任务的位置和距离、家的位置和距离以及当前的速度和高度，然后再由飞控驾驶飞机飞向任务位置或回家（返航）。DJIS100+使用的飞控主要有A2飞控和WooKong-M飞控两种。图2.16DJIA2飞控A2飞控内置2.4G接收机DR16，直接支持FutabaFASST系列遥控器。配备高性能抗震IMU模块和高精卫星导航接收机GPS-COMPASSPROPLUS。其主要特性有：适用九种常用多旋翼平台，支持用户自定义电机混控，智能方向控制(IOC)，在普通飞行过程中，飞行器的飞行前向为飞行器的机头朝向。启用智能方向控制后，
17、在飞行过程中，飞行器的飞行前向与飞行器机头朝向没有关系。在使用航向锁定时，飞行前向和主控记录的某一时刻的机头朝向一致。如下图所示。图2.17航向锁定模式示意图在使用返航点锁定时，飞行前向为返航点到飞行器的方向。如下图所示。图2.18返航点锁定模式示意图A2具备热点环绕功能，在GPS信号良好的情况下，可以通过拨动遥控器上预先设置好的开关，将飞行器当前所在的坐标点记录为热点。以热点为中心，在半径5米至500米的范围内，只需要发出横滚的飞行指令，飞行器就会实现360度的热点环绕飞行，机头方向始终指向热点的方向，也就是俗称的“刷锅”。该功能设置简单，使用方便，可实现对固定的景点进行全方位拍摄的应用。图
18、2.19热点环绕示意图智能起落架功能。使用智能起落架功能，一旦通电后，保护起落架在地面默认放下(不会意外收起)；在紧急情况时(如：断桨保护、自动降落等)放下起落架，以保护飞行器和云台；飞行高度超过5m后可通过设置的开关控制起落架的收起和放下。（6）飞行模式。失控返航和一键返航。当飞行器与遥控器之间，因为控制距离太远或者信号干扰失去联系时，系统将触发失控保护功能，在GPS信号良好的情况下，自动触发自动返航安全着陆功能。此外还新增加了遥控器开关触发自动返航的功能，无需进入失控保护模式。协调转弯模式。横滚与偏航杆合二为一，辅助协调转弯。定高飞行时可单手控制，固定翼式转弯与悬停完美融合，全新飞行驾感。
19、第一人称航拍镜头流畅转换，体验不同视觉效果。巡航控制模式。可以设置定速巡航和变速巡航模式，简化飞行操作，驾驶员可以专注云台控制，减少变速损耗，提高续航时间。精准控速，轻松完成匀速航线镜头。打杆调速，方便随时修改巡航速度。断桨保护功能。对于六轴及以上的机型，断桨保护功能是指在姿态或GPS姿态模式下，飞机意外缺失某一螺旋桨动力输出时，飞机可以采用牺牲航向轴控制的办法，继续保持飞行水平姿态。此时飞机可以继续被操控，并安全返航。这一设计大大降低了炸机的风险。图2.20DJIWooKong-M飞控6.电池多旋翼无人机上用的电池为锂聚合物电池(Li-polymer，又称高分子锂电池)，一般简称为锂电。锂聚
20、合物电池具有能量密度高、小型化、超薄化、轻量化，以及高安全性和低成本等多种明显优势，是一种新型电池。在形状上，锂聚合物电池具有超薄化特征，可以配合各种产品的需要，制作成各种形状与容量的电池，外包装为铝塑包装，有别于液态锂电的金属外壳，内部质量隐患可立即通过外包装变形而显示出来，比如鼓胀。下面就以一块22.2V，10000mAh航拍动力电池为例说明，它一般是由6片额定电压为3.7V、容量10000mAh锂电芯串联而成，即常说的6S1P。也可以是6S2P，即由12片5000mAh的电池并联加串联组成的。这里要说明的是，6S1P要比6S2P安全系数要高，因为1P要比2P的结构简单一倍，当然1P价格也
21、要更高。图2.2122.2V，10000mAh航拍电池无人机用锂电中，单片电芯电压3.7V是额定电压，是从平均工作电压获得。单片锂电芯的买际电压为2.75-4.2V，锂电上标示的电容量是4.2V放电至2.75V所获得的电量，例如容量为10000mAh的电池如果以10000mA的电流放电可持续放电1小时，如果以5000mA电流放电则可以持续放电2小时。锂电必须保持在2.75-4.2V这个电压范围内使用。如电压低于2.75V则属于过度放电，锂电会膨胀，内部的化学液体会结晶，这些结晶有可能会刺穿内部结构层造成短路，甚至会让锂电电压变为零。充电时单片电压高于4.2V属于过度充电，内部化学反应过于激烈，
22、锂电会鼓气膨胀，若继续充电会膨胀、燃烧。所以一定要用符合安全标准的正规充电器对电池进行充电，同时严禁对充电器进行私自改装，这可能会造成很严重的后果。实际使用中不能将航拍动力电池单片电芯电压放电到2.75V，此时电池已不能提供给飞机有效电力来飞行。为了安全飞行，可将单片报警电压设为3.6V,如达到或接近此电压，驾驶员就要马上执行返航或降落动作，尽可能避免因电池电压不足导致飞行器坠落（俗称炸机）。电池的放电能力是以倍数C来表示的，它的意思是说按照电池的标称容量最大可达到多大的放电电流。常见的航拍用电池有15C,20C,25C或者更高C的数。1C是指电池用1C的放电率放电可以持续工作1小时。例:10
23、000mAh容量的电池持续工作1小时，那么平均电流是10000mA，即10A,10A即是这个电池的1C。再如电池标有10000mAh25C,那么最大放电电流是10Ax25=250A,如果是15C,那么最大放电电流是10Ax15=150A，从此可以看出飞机在进行大动态飞行的时候，C数越高电池就能根据动力消耗的瞬间提供更多电流支持，它的放电性能会更好，当然C数越高，电池价位也会升高。千万不要超过电池的放电C数进行放电，否则电池有可能会报废或燃烧爆炸。电池是为飞行器提供动力的唯一能源，正确的使用和维护对延长电池寿命非常重要。因此在使用和保养中应注意以下事项：（1）平衡充电锂电池串联充电时，应保证每节
24、电池均衡充电，否则使用过程中会影响整组电池的性能和寿命。因此，一定要使用专门的平衡充电器为锂电池充电。（2）不过充和过放要确保充电电压不超过4.2V，充电完毕要及时拔掉充电插头。充电时一定要按照电池规定的充电C数或更低的C数进行充电，一般正常充电电流为1C，紧急情况下也不可超过电池说明书中规定的最大充电电流。电池的放电曲线表明，刚开始放电时，电压下降比较快，但放电到3.9V-3.7V之间，电压下降不快。但一旦降至3.7V以后，电压下降速度就会加快，控制不好就导致过放，轻则损伤电池，重则电压太低造成炸机。如果经常过放电，会使电池寿命缩短。无人机动力电池的电压或者剩余电量一般会在图传接收的显示器上
25、显示，要时刻注意电池电量，一但报警就应尽快降落。（3）不满电保存充满电的电池，不能满电保存超过3天，如果超过一个星期不放掉，有些电池就直接鼓包了，有些电池可能暂时不会鼓，但几次满电保存后，电池可能会直接报废。因此，正确的方式是，在接到飞行任务后再充电，电池使用后如在3天内没有飞行任务，请将单片电压充至3.80V3.90V保存。如果充好电后因各种原因没有飞，也要在充满后3天内把电池放电到3.80V3.90V保存。如在三个月内没有使用电池，将电池充放电一次后继续保存，这样可延长电池寿命。电池保存应放置在阴凉的环境下贮存，长期存放电池时，最好能放在密封袋中或密封的防爆箱内，建议环境温度为1050，且
26、干燥、无腐蚀性气体。（4）不损坏外皮电池的外皮是防止电池爆炸和漏液起火的重要结构，锂电池的铝塑外皮破损将会直接导致电池起火或爆炸。电池要轻拿轻放，在飞机上固定电池时，扎带要束紧。因为会有可能在做大动态飞行或摔机时，电池会因为扎带不紧而甩出，这样也很容易造成电池外皮破损。（5）不低温使用在北方或高海拔地区常会有低温天气出现，此时电池如长时间在外放置，温度过低，电池的放电性能会大大降低，工作时间会大大缩短。此时应将报警电压升高(比如单片报警电压调至3.8V)，因为在低温环境下压降会非常快，报警一响立即降落。同时要给电池做保温处理，在起飞之前电池要保存在温暖的环境中，比如说房屋内、车内、保温箱内等。
27、要起飞时快速安装电池，并执行飞行任务。在低温飞行时尽量将时间缩短到常温状态的一半，以保证安全飞行。7遥控装置遥控装置包括遥控发射机和接收机，接收机装在飞行器上。一般按照通道数将遥控器分成六通道、八通道、九通道、十四通道遥控器等。遥控器上的通道数即表示信号模式，一个通道相对应一个信号，这个信号使得我们的飞行器可以做出相应的动作，如前进后退、左转右转，这样都各算一个通道，就象我们家里的灯一样，不同的开关管理着不同的灯泡、灯管，一个开关控制一路，即一个通道。遥控器通道越多，则表示能控制的功能越多，可以做更多的动作。多旋翼无人机最基本的飞行动作有上升下降（油门）、左右移动（横滚）、前后运动（俯仰）和水
28、平转弯（偏航）等，这些动作各需一个遥控通道，再加上起落架收放、飞控模式转换、云台控制（俯仰、水平转动、横滚等）、相机控制等，共需要大约9个通道。更多的通道可以执行更多的动作和实现更多的功能，当然也要更高的成本，要根据实际需要来选择。图2.22FUTABA14SG2.4GHz14通道遥控器(1)普通航模用遥控器大部分的民用无人机都采用的是与普通航模遥控器近似的2.4G或5.8G遥控器控制，分亚洲流派(日本手)和欧美流派(美国手)，两种操纵方式的区别在于控制油门的操纵杆是在右边(日本手)还是左边(美国手)，固定翼的飞手用日本手较多，而直升机的飞手则习惯采用美国手，两种流派各有利弊。对于新手而言，主
29、要还是取决于周围的群体采用哪种流派飞行的多，这样方便老飞手进行指导和帮助调飞机。市场上主流的多旋翼飞行器一般默认都是美国手。图2.23美国手和日本手例如FUTABA14SG2.4GHzFASST系列遥控器适用于大部分的DIY机型和专业航拍机。DJIA2飞控内置16通道DR16接收机，可以直接与FUTABAFASS系列遥控器搭配使用。要实现航拍功能时需外接图传系统和显示器或使用手机、平板电脑作为显示器。(2)专用遥控器控制与普通航模用遥控器相比，专用遥控器通常集成了图传接收和显示器，一般无法通过更换接收机来使用其他品牌的遥控器，控制方式则与普通航模遥控器一致。专用遥控器一般集成度高，通常采用专用的数字图传技术，清晰度高于模拟图传，不易出现同频干扰导致视频信号丢失。无人机内置图传，可降低新手安装难度和减轻无人机重量，延长飞行时间图2.24DJI专用遥控器专业航拍无人机一般同时配备主从两只遥控器，主机由飞手（无人机驾驶员）进行操控，从机由云台手（航拍摄影师）进行操控,也叫“双控”。飞手根据云台手对拍摄画面的要求操控无人机的飞行动作，云台手操控云台相机进行构图和拍摄。使用双控时，云台要调整为“自由模式”（非方向锁定模式），这时飞行器的横滚和转向动作不影响云台的姿态，从机的左摇杆控制云台的俯仰，右摇杆控制云台的方向。