無人機(jī)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)

1第章無人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)無人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)分為結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)兩個(gè)方面,其中無人機(jī)結(jié)構(gòu)主要是指無人機(jī)的硬件結(jié)構(gòu),無人機(jī)系統(tǒng)主要是指無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、控制站、飛行控制系統(tǒng)、通信導(dǎo)航系統(tǒng)、任務(wù)載荷系統(tǒng)和發(fā)射回收系統(tǒng)等。1.1無人機(jī)概述1.1.1無人機(jī)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀18世紀(jì)后期,熱氣球在歐洲升空,邁出了人類翱翔天空的第一步。20世紀(jì)初期,美國萊特兄弟的“飛行者”號(hào)飛機(jī)試飛成功,開創(chuàng)了現(xiàn)代航空的新篇章。20世紀(jì)40年代初期第二次世界大戰(zhàn)時(shí),德國成功發(fā)射大型液體火箭V-2,把航天理論變成現(xiàn)實(shí)。1961年,蘇聯(lián)航天員加加林乘坐“東方1號(hào)”宇宙飛船在最大高度為301km的軌道上繞地球一周,揭開了人類載人航天器進(jìn)入太空的新篇章。無人機(jī)的起源可以追溯到第一次世界大戰(zhàn),1914年英國的兩位將軍提出了研制一種使用無線電操縱的小型無人駕駛飛機(jī)用來空投炸彈的建議,得到認(rèn)可并開始研制。1915年10月,德國西門子公司成功研制了采用伺服控制裝置和指令制導(dǎo)的滑翔炸彈。1916年9月12日,第一架無線電操縱的無人駕駛飛機(jī)在美國試飛。1917—1918年,英國與德國先后研制成功無人遙控飛機(jī)。這些被公認(rèn)為是遙控?zé)o人機(jī)的先驅(qū)。隨后,無人機(jī)被逐步應(yīng)用于靶機(jī)、偵察、情報(bào)收集、跟蹤、通信和誘餌等軍事任務(wù)中,新時(shí)代的軍用無人機(jī)很大程度上改變了軍事戰(zhàn)爭(zhēng)和軍事調(diào)動(dòng)的原始形式。與軍用無人機(jī)的百年歷史相比,民用無人機(jī)技術(shù)要求低、更注重經(jīng)濟(jì)性。軍用無人機(jī)技術(shù)的民用化降低了民用無人機(jī)市場(chǎng)進(jìn)入門檻和研發(fā)成本,使得民用無人機(jī)得以快速發(fā)展。目前,民用無人機(jī)已廣泛應(yīng)用于航拍、航測(cè)、農(nóng)林植保、巡線巡檢、防災(zāi)減災(zāi)、地質(zhì)勘測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)和氣象探測(cè)等領(lǐng)域。未來,無人機(jī)將在智能化、微型化、長(zhǎng)航時(shí)、超高速、隱身性等方向上發(fā)展,無人機(jī)的市場(chǎng)空間和應(yīng)用前景非常廣闊。1.1.2無人機(jī)的概念中國民用航空局飛行標(biāo)準(zhǔn)司在2016年7月11日頒布的《民用無人機(jī)駕駛員管理規(guī)定》(AC-61-FS-2016-20-R1),其對(duì)無人機(jī)及相關(guān)概念作了定義。無人機(jī)組裝與調(diào)試2無人機(jī)(UnmannedAerial,UA)是指由控制站管理(包括遠(yuǎn)程操縱或自主飛行)的航空器,也稱遠(yuǎn)程駕駛航空器(RemotelyPilotedAircraft,RPA)。無人機(jī)系統(tǒng)(UnmannedAerialSystems,UAS)是指由無人機(jī)、相關(guān)的控制站、所需的指令與控制數(shù)據(jù)鏈路以及批準(zhǔn)的型號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)定的任何其他部件組成的系統(tǒng),也稱遠(yuǎn)程駕駛航空器,)。一種典型的無人機(jī)系統(tǒng)如圖1-1所示。RemotelyPilotedAircraftSystemsRPAS系統(tǒng)(圖1-1一種典型的無人機(jī)系統(tǒng)無人機(jī)系統(tǒng)駕駛員是指由運(yùn)營人指派、對(duì)無人機(jī)的運(yùn)行負(fù)有必不可少職責(zé)、并在飛行期間適時(shí)操縱無人機(jī)的人?？刂普疽卜Q遙控站、地面站,是無人機(jī)系統(tǒng)的組成部分,包括用于操縱無人機(jī)的設(shè)備。指令與控制數(shù)據(jù)鏈路(CommandandControlDataLink,C2)是指無人機(jī)和控制站之間以飛行管理為目的的數(shù)據(jù)鏈接。1.1.3無人機(jī)的特點(diǎn)1.無人機(jī)的優(yōu)勢(shì)與有人機(jī)相比,無人機(jī)具有以下優(yōu)勢(shì)。(1)機(jī)上沒有駕駛員,無須配備生命保障系統(tǒng),簡(jiǎn)化了系統(tǒng)、減輕了重量、降低了成本。(2)機(jī)上沒有駕駛員,執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)時(shí)不會(huì)危及飛行員安全,更適合執(zhí)行危險(xiǎn)性高的任務(wù)。(3)機(jī)上沒有駕駛員,可以適應(yīng)更激烈的機(jī)動(dòng)飛行和更加惡劣的飛行環(huán)境,留空時(shí)間也不會(huì)受到人所固有的生理限制。(4)無人機(jī)在制造、使用和維護(hù)方面的技術(shù)門檻與成本相對(duì)更低。制造方面:放寬了冗余性和可靠性指標(biāo),放寬了機(jī)身材料、過載、耐久等要求。使用方面:使用相對(duì)簡(jiǎn)單,訓(xùn)練更易上手,且可用模擬器代替真機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練,節(jié)省了真機(jī)的實(shí)際使用壽命。維護(hù)方面:維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單,維護(hù)成本低。(5)無人機(jī)對(duì)環(huán)境要求較低,包括起降環(huán)境、飛行環(huán)境和地面保障等。(6)無人機(jī)相對(duì)重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。2.無人機(jī)的局限性與有人機(jī)相比,無人機(jī)具有以下局限性。第1章無人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)3(1)無人機(jī)上沒有駕駛員和機(jī)組人員,對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的依賴性更高。(2)無人機(jī)放寬了冗余性和可靠性指標(biāo),降低了飛行安全。當(dāng)發(fā)生機(jī)械故障或電子故障時(shí),無人機(jī)及機(jī)載設(shè)備可能會(huì)產(chǎn)生致命損傷。(3)無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間相對(duì)較短,尤其是電動(dòng)無人機(jī)。(4)無人機(jī)遙控器、地面站、圖傳、數(shù)傳電臺(tái)等設(shè)備的通信頻率和地面障礙物等,限制了無人機(jī)系統(tǒng)的通信傳輸距離,限制了無人機(jī)的飛行范圍。(5)無人機(jī)的體積、重量和動(dòng)力等,決定了無人機(jī)的抗風(fēng)、抗雨能力有限。1.1.4無人機(jī)的分類目前,無人機(jī)的用途廣泛,種類繁多,型號(hào)各異,各具特點(diǎn)。按應(yīng)用領(lǐng)域的不同,無人機(jī)可分為軍用無人機(jī)、民用無人機(jī)和科研無人機(jī)。按飛行航程的不同,無人機(jī)可分為超近程無人機(jī)、近程無人機(jī)、短程無人機(jī)、中程無人機(jī)和遠(yuǎn)程無人機(jī),具體分類如表1-1所示。表1-1無人機(jī)的分類(按飛行航程分)無人機(jī)的飛行航程/km無人機(jī)的分類<15超近程無人機(jī)近程無人機(jī)短程無人機(jī)中程無人機(jī)遠(yuǎn)程無人機(jī)15~5050~200200~800>800按飛行高度的不同,無人機(jī)可分為超低空無人機(jī)、低空無人機(jī)、中空無人機(jī)、高空無人機(jī)和超高空無人機(jī),具體分類如表1-2所示。表1-2無人機(jī)的分類(按飛行高度分)無人機(jī)的飛行高度/m0~100無人機(jī)的分類超低空無人機(jī)低空無人機(jī)中空無人機(jī)高空無人機(jī)超高空無人機(jī)100~10001000~70007000~18000>18000按中國民用航空局飛行標(biāo)準(zhǔn)司2016年發(fā)布的咨詢通告《民用無人機(jī)駕駛員管理規(guī)定》(AC-61-FS-2016-20-R1),無人機(jī)可分為9類,具體分類如表1-3所示。表1-3無人機(jī)的分類(按民航法規(guī)分)無人機(jī)的分類空機(jī)重量/kg起飛重量/kgⅠⅡⅢⅣ0<空機(jī)重量/起飛重量≤1.51.5<空機(jī)重量≤44<空機(jī)重量≤1515<空機(jī)重量≤1161.5<起飛重量≤77<起飛重量≤2525<起飛重量≤150無人機(jī)組裝與調(diào)試4續(xù)表無人機(jī)的分類空機(jī)重量/kg起飛重量/kgⅤⅥⅦⅧⅨ植保類無人機(jī)無人飛艇超視距運(yùn)行的Ⅰ、Ⅱ類無人機(jī)150<起飛重量≤5700空機(jī)重量/起飛重量>5700116<空機(jī)重量≤5700按國務(wù)院、中央軍委空中交通管制委員會(huì)(以下簡(jiǎn)稱國家空管委)組織起草并于2018年年初面向社會(huì)公開征求意見的《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例(征求意見稿)》規(guī)定,根據(jù)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大小,民用無人機(jī)可分為微型無人機(jī)、輕型無人機(jī)、小型無人機(jī)、中型無人機(jī)和大型無人機(jī),具體分類如表1-4所示。表1-4無人機(jī)的分類(按運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大小分)無人機(jī)的分類無人機(jī)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大小空機(jī)重量小于0.25kg,設(shè)計(jì)性能同時(shí)滿足飛行真高不超過50m、最大飛行速度不超過40km/h、無線電發(fā)射設(shè)備符合微功率短距離無線電發(fā)射設(shè)備技微型無人機(jī)術(shù)要求的無人機(jī)同時(shí)滿足空機(jī)重量不超過4kg、最大起飛重量不超過7kg、最大飛行速度不輕型無人機(jī)小型無人機(jī)超過100km/h,具備符合空域管理要求的空域保持能力和可靠被監(jiān)視能力的無人機(jī)(不包括微型無人機(jī))空機(jī)重量不超過15kg,或最大起飛重量不超過25kg的無人機(jī)(不包括微型無人機(jī)、輕型無人機(jī))最大起飛重量超過25kg不超過150kg,且空機(jī)重量超過15kg的無人機(jī)最大起飛重量超過150kg的無人機(jī)中型無人機(jī)大型無人機(jī)按飛行平臺(tái)構(gòu)型的不同,無人機(jī)可分為固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)、多旋翼無人機(jī)、傘翼無人機(jī)、撲翼無人機(jī)、無人飛艇和混合式無人機(jī)等。1.固定翼無人機(jī)固定翼無人機(jī)是指由動(dòng)力裝置產(chǎn)生前進(jìn)的推力或拉力,由機(jī)身固定的機(jī)翼產(chǎn)生升力,在大氣層內(nèi)飛行的重于空氣的無人機(jī)。一種典型的固定翼無人機(jī)如圖1-2所示。其特點(diǎn):載荷大、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、航程遠(yuǎn)、飛行速度快、飛行高度高,但起降受場(chǎng)地限制、無法懸停。2.無人直升機(jī)圖1-2固定翼無人機(jī)無人直升機(jī)是指依靠動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)旋翼產(chǎn)生升力和推進(jìn)力,實(shí)現(xiàn)垂直起落及懸停、前飛、后飛、定點(diǎn)回轉(zhuǎn)等可控飛行的無人機(jī)。一種典型的無人直升機(jī)如圖1-3所示。按旋翼數(shù)量和布局方式的不同,無人直升機(jī)可分為單旋翼帶尾槳無人直升機(jī)、共軸式雙旋翼無人直升機(jī)、縱列式雙旋翼無人直升機(jī)、橫列式雙旋翼無人直升機(jī)和帶翼式無人直升機(jī)等不同類型。第1章無人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)5圖1-3無人直升機(jī)其特點(diǎn):可垂直起降、可懸停、操作靈活、可任意方向飛行,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率較高。與固定翼無人機(jī)相比,飛行速度低、油耗高、載荷小、航程短、續(xù)航時(shí)間短。3.多旋翼無人機(jī)多旋翼無人機(jī)是指具有3個(gè)及以上旋翼軸提供升力和推進(jìn)力的可垂直起降的無人機(jī)。一種典型的多旋翼無人機(jī)如圖1-4所示。圖1-4多旋翼無人機(jī)與無人直升機(jī)通過自動(dòng)傾斜器、變距舵機(jī)和拉桿組件來實(shí)現(xiàn)槳葉的周期變距不同,多旋翼無人機(jī)的旋翼總距是固定不變的,通過調(diào)整不同旋翼的轉(zhuǎn)速來改變單軸推進(jìn)力的大小,從而改變無人機(jī)的飛行姿態(tài)。其特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、操作靈活、可向任意方向飛行,但有效載荷較小、續(xù)航時(shí)間較短。1.1.5無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)無人機(jī)結(jié)構(gòu)主要是指無人機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)。如前所述,無人機(jī)按飛行平臺(tái)構(gòu)型的不同可分為固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)、多旋翼無人機(jī)、傘翼無人機(jī)、撲翼無人機(jī)和無人飛艇等。無人機(jī)系統(tǒng)主要是指無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、控制站、飛行控制系統(tǒng)、通信導(dǎo)航系統(tǒng)、任務(wù)載荷系統(tǒng)和發(fā)射回收系統(tǒng)等。(1)動(dòng)力系統(tǒng):用以提供無人機(jī)飛行所需要的動(dòng)力,使無人機(jī)能夠安全進(jìn)行各項(xiàng)飛行活動(dòng)。(2)控制站:用以監(jiān)測(cè)和控制無人機(jī)的飛行全過程、全部載荷、通信鏈路等,并能檢測(cè)故障及時(shí)報(bào)警,再采取相應(yīng)的診斷處理措施。無人機(jī)組裝與調(diào)試6(3)飛行控制系統(tǒng):用以作為無人機(jī)系統(tǒng)的“大腦”部分,對(duì)無人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定和控制、無人機(jī)任務(wù)設(shè)備管理和應(yīng)急控制等都有重要影響,對(duì)其飛行性能起決定性的作用。(4)通信導(dǎo)航系統(tǒng):用以保證遙控指令能夠準(zhǔn)確傳輸,以及無人機(jī)能夠及時(shí)、可靠、準(zhǔn)確地接收、發(fā)送信息,以保證信息反饋的可靠性、精確度、實(shí)時(shí)性及有效性。(5)任務(wù)載荷系統(tǒng):用以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行要完成的特定任務(wù)。(6)發(fā)射回收系統(tǒng):用以保證無人機(jī)順利升空以達(dá)到安全的高度和速度飛行,并在執(zhí)行完任務(wù)后從天空安全回落到地面。1.2無人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)本書主要介紹固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)和多旋翼無人機(jī)3種機(jī)型的組裝和調(diào)試,后續(xù)章節(jié)對(duì)這3種機(jī)型的基本結(jié)構(gòu)做了較為詳盡的介紹,所以本節(jié)在此僅對(duì)此3種機(jī)型做簡(jiǎn)單介紹。1.2.1固定翼無人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)固定翼無人機(jī)一般由機(jī)翼、機(jī)身、尾翼、起落裝置和動(dòng)力裝置5個(gè)部分組成。(1)機(jī)翼主要由翼梁、縱墻、桁條、翼肋和蒙皮等組成,主要功能是產(chǎn)生飛行所需要的升力。(2)機(jī)身主要由縱向骨架桁梁和桁條、橫向骨架普通隔框和加強(qiáng)隔框、蒙皮等組成,主要功能是裝載燃料和設(shè)備,并將機(jī)翼、尾翼、起落裝置等連成一個(gè)整體。(3)尾翼主要由水平尾翼和垂直尾翼兩部分組成,主要功能是穩(wěn)定和操縱無人機(jī)的俯仰與偏轉(zhuǎn)。(4)起落裝置主要由支柱、減振器、機(jī)輪和收放機(jī)構(gòu)等組成,主要功能是支撐無人機(jī)的起飛、著陸滑跑、滑行和停放等。(5)動(dòng)力裝置包括油動(dòng)和電動(dòng)兩種,其中油動(dòng)動(dòng)力裝置主要由螺旋槳、發(fā)動(dòng)機(jī)、舵機(jī)和輔助系統(tǒng)等組成,電動(dòng)動(dòng)力裝置主要由電池、電調(diào)、電動(dòng)機(jī)和螺旋槳等組成。動(dòng)力裝置的主要功能是產(chǎn)生拉力(螺旋槳式)或推力(噴氣式),使無人機(jī)產(chǎn)生相對(duì)空氣的運(yùn)動(dòng)。1.2.2無人直升機(jī)的基本結(jié)構(gòu)無人直升機(jī)一般由機(jī)身、主旋翼、尾槳、操縱系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架等組成。(1)無人直升機(jī)機(jī)身與固定翼無人機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)和功能類似,主要功能是裝載燃料、貨物和設(shè)備等,同時(shí)作為無人直升機(jī)安裝基礎(chǔ)將各部分連成一個(gè)整體。機(jī)身是直接承受和產(chǎn)生空氣動(dòng)力的部件,還具有承載和傳力的作用,承受各種裝載的載荷和各類動(dòng)載荷。(2)主旋翼主要由槳葉和槳轂組成,主要功能是將旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換成旋翼升力和拉力。(3)尾槳一般安裝在尾梁后部或尾斜梁或垂尾上,主要功能是平衡旋翼的反扭矩、改變尾槳的推力(或拉力),實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)的航向控制、對(duì)航向起穩(wěn)定作用和提供一部分升力等。尾槳分為推式尾槳和拉式尾槳。(4)操縱系統(tǒng)主要由自動(dòng)傾斜器、座艙操縱機(jī)構(gòu)和操縱線系等組成,主要功能是用來控第1章無人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)7制無人直升機(jī)的飛行。無人直升機(jī)的垂直、俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航4種運(yùn)動(dòng)形式分別對(duì)應(yīng)總距操縱、縱向操縱、橫向操縱和航向操縱4個(gè)操縱。(5)傳動(dòng)系統(tǒng)主要由主減速器、傳動(dòng)軸、尾減速器及中間減速器組成,主要功能是將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給主旋翼和尾槳。1.2.3多旋翼無人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)多旋翼無人機(jī)一般由機(jī)架、動(dòng)力裝置和飛控等組成。(1)機(jī)架主要由機(jī)臂、中心板和腳架等組成,也有采用一體化設(shè)計(jì)的機(jī)架。機(jī)架的主要功能是承載其他構(gòu)件的安裝。(2)多旋翼無人機(jī)的動(dòng)力裝置通常采用電動(dòng)系統(tǒng),主要由電池、電調(diào)、電動(dòng)機(jī)和螺旋槳4個(gè)部分組成。(3)飛控主要由陀螺儀、加速度計(jì)、角速度計(jì)、氣壓計(jì)、GPS、指南針和控制電路等組成,主要功能是計(jì)算并調(diào)整無人機(jī)的飛行姿態(tài),控制無人機(jī)自主或半自主飛行。1.3無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)為無人機(jī)提供動(dòng)力,使無人機(jī)能夠進(jìn)行飛行活動(dòng)。無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)有3種類型,即以電池為能源的電動(dòng)系統(tǒng)、以燃油類發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的油動(dòng)系統(tǒng)和油電混動(dòng)系統(tǒng)。目前油電混合系統(tǒng)更多地應(yīng)用于汽車中,在無人機(jī)領(lǐng)域較少使用。1.3.1電動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)系統(tǒng)是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,為無人機(jī)飛行提供動(dòng)力的系統(tǒng),由電池、調(diào)速系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)、螺旋槳4個(gè)部分組成。1.電池電池主要為無人機(jī)提供能量,有鎳鎘、鎳氫、鋰離子、鋰聚合物電池?？紤]到電池的重量和效率問題,無人機(jī)多采用鋰聚合物電池,如圖1-5所示。電壓分為額定電壓、開路電壓、工作電壓和充電電壓等,符號(hào)為U,單位為伏特(V)。額定電壓是指電池工作時(shí)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)電壓,例如鋰聚合物電池為3.7V;開路電壓是指無負(fù)載使用情況下的電池電壓;工作電壓是指電池在負(fù)載工作情況下的放電電壓,它通常是一個(gè)電壓范圍,例如鋰聚合物電池的工作電壓為3.7~4.2V;充電電壓是指外電路電壓對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)的電壓,一般充電電壓要大于電池開路電壓。電池容量是指電池儲(chǔ)存電量的大小,電池容量分為實(shí)際容量、額定容量、理論容量,符號(hào)為C,單位為毫安時(shí)(mA·h)。實(shí)際容量是指在一定放電條件下,在終止電壓前電池能夠放出的電量;額定容量是指電池在生產(chǎn)和設(shè)計(jì)時(shí),規(guī)定的在一定放電條件下電池能夠放出的最低電量;理論容量是指根據(jù)電池中參加化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)計(jì)算出的電量。電池倍率,一般充放電電流的大小常用充放電倍率來表示,即充放電倍率=充放電電流/額定容量,符號(hào)為C;例如,額定容量為10mA·h的電池用4A放電時(shí),其放電倍率為0.4C;1000mA·h10、C的電池,最大放電電流=1000×10mA=10000mA=10A。無人機(jī)組裝與調(diào)試82.調(diào)速系統(tǒng)電調(diào)(ElectronicSpeedController,ESC),全稱電子調(diào)速器,如圖1-6所示。它的主要功能是將飛控板的控制信號(hào)進(jìn)行功率放大,并向各開關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào),以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的電流是很大的,正常工作時(shí)通常為3~20A。飛控沒有驅(qū)動(dòng)無刷電動(dòng)機(jī)的功能,需要電調(diào)將直流電源轉(zhuǎn)換為三相電源,為無刷電動(dòng)機(jī)供電。同時(shí)電調(diào)在多旋翼無人機(jī)中也充當(dāng)了電壓變化器的作用,將11.1V的電源電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓給飛控、遙控接收機(jī)供電,如果沒有電調(diào),飛控板根本無法承受這樣大的電流。圖1-5鋰聚合物電池圖1-6電子調(diào)速器電調(diào)兩端都有接線,輸入線與電池相連,輸入電流;輸出線與電動(dòng)機(jī)相連,用以調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。無刷電調(diào)有3根輸出線,信號(hào)線與飛控連接,接收飛控信號(hào)并給飛控供電。3.電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)槳葉使無人機(jī)產(chǎn)生升力和推力,通過對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制,可使無人機(jī)完成各種飛行狀態(tài)。有刷電動(dòng)機(jī)中的電刷在電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生電火花會(huì)對(duì)遙控?zé)o線電設(shè)備產(chǎn)生干擾,且電刷會(huì)產(chǎn)生摩擦力,噪聲大,目前在無人機(jī)領(lǐng)域已較少使用,更多采用的是無刷電動(dòng)機(jī)。外轉(zhuǎn)子型無刷電動(dòng)機(jī)的工作原理:電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子在外面,而定子在內(nèi)部,轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)有兩個(gè)永久性磁鐵,一個(gè)是N極,一個(gè)是S極,電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)是線圈,也就是電磁鐵,定子在內(nèi)部是固定不動(dòng)的,如圖1-7所示。利用磁鐵異性相吸的原理,給定子線圈通電如圖1-7(a)所示,外面的轉(zhuǎn)子由于異性相吸的原理會(huì)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),讓自己的N極靠近定子電磁鐵的S極,自己的S極靠近定子電磁鐵的N極。此時(shí)線圈停止通電,讓下一個(gè)線圈通電,即圖中標(biāo)B的線圈通電流。這樣永磁鐵就因異性相吸的原理繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)追趕下一個(gè)電磁鐵目標(biāo),如圖1-7(b)所示,前面有個(gè)電磁鐵線圈在吸引永磁鐵,后面一個(gè)電磁鐵線圈在推動(dòng)永磁鐵。在無刷電動(dòng)機(jī)里,安裝了霍爾傳感器,能準(zhǔn)確判斷轉(zhuǎn)子永磁鐵的位置,及時(shí)將永磁鐵的位置報(bào)告給定子線圈控制器,控制器就能根據(jù)該信息控制線圈電流流向。圖1-7外轉(zhuǎn)子型無刷電動(dòng)機(jī)工作原理第1章無人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)9電動(dòng)機(jī)的型號(hào)通常用“××××”型數(shù)字來表示。例如,2212外轉(zhuǎn)子無刷動(dòng)力電動(dòng)機(jī),即表示電動(dòng)機(jī)定子直徑22mm,電動(dòng)機(jī)定子高度為12mm,如圖1-8所示。電動(dòng)機(jī)KV值,用來表示電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)速,指電壓每增加1V,無刷電動(dòng)機(jī)增加的每分鐘轉(zhuǎn)速,即電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)速=電動(dòng)機(jī)KV×電池電壓。例如,920KV的電動(dòng)機(jī),電池電壓為11.1V,那么電動(dòng)機(jī)的空載轉(zhuǎn)速應(yīng)該為920×11.1r/min=10212r/min。4.螺旋槳螺旋槳安裝在無刷電動(dòng)機(jī)上,通過電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)。多旋翼無人機(jī)多采用定距螺旋槳,即槳距固定,如圖1-9所示。定距螺旋槳從槳轂到槳尖安裝角逐漸減小,這是因?yàn)榘霃皆酱蟮牡胤骄€速度越大,受到的空氣反作用力就越大,容易造成螺旋槳因各處受力不均勻而折斷。同時(shí)螺旋槳安裝角隨著半徑增加而逐漸減小,能夠使螺旋槳從槳轂到葉尖產(chǎn)生一致升力。圖1-82212外轉(zhuǎn)子無刷動(dòng)力電動(dòng)機(jī)圖1-9螺旋槳螺旋槳尺寸通常用“××××”型數(shù)字來表示,前兩位數(shù)字表示螺旋槳直徑,后兩位數(shù)字表示螺旋槳螺距,單位均為英寸(in),1in約等于2.54cm,螺距即槳葉旋轉(zhuǎn)一圈旋轉(zhuǎn)平面移動(dòng)的距離。螺旋槳有正反槳之分,順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的是正槳,逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的是反槳。電動(dòng)機(jī)與螺旋槳的配型原則:高KV電動(dòng)機(jī)配小槳,低KV電動(dòng)機(jī)配大槳。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)KV值越小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大,KV值越大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小,所以螺旋槳尺寸越大,產(chǎn)生的升力就越大,需要更大力量來驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn),因此采用低KV電動(dòng)機(jī);反之,螺旋槳越小,需要轉(zhuǎn)速更快,才能達(dá)到足夠升力,因此采用高KV電動(dòng)機(jī)。5.接線方式動(dòng)力系統(tǒng)中電池、電調(diào)、電動(dòng)機(jī)之間的接線方式,如圖1-10所示。多旋翼無人機(jī)的多個(gè)旋翼軸上的電調(diào),其輸入端的紅線、黑線需并聯(lián)接到電池的正負(fù)極上;其輸出端的3根黑線連接到電動(dòng)機(jī);其BEC信號(hào)輸出線,用于輸出5V電壓給飛控供電和接收飛控的控制信號(hào);遙控接收機(jī)連接在飛行控制器上,輸出遙控信號(hào),并同時(shí)從飛控上得到5V