【四轴无人机探索开发系列04】~四轴无人机的基本理论

1. 机架

1.1 机身

  机身是承载无人机所有设备的平台，应该着重考虑无人机的尺寸、形状、材料、强度和重量等因素。
  在保证行能的前提下，机身应该尽可能的轻。常见的无人机布局有三旋翼、四旋翼、六旋翼、八旋翼。轴距是无人机尺寸的重要参数，通常定义为电机轴围成的外接圆周的直径。轴距的大小限制了螺旋桨的尺寸，从而限定了无人机的最大拉力，进而决定了无人机的承载能力。

1.2 起落架

  起落架一般有以下几大作用：
（1）在起飞与降落时保持机身水平平衡；
（2）保证旋翼与地面有足够的安全距离；
（3）减弱起飞与降落时的地效；
（4）消耗和吸收无人机在着陆时的冲击能量。

1.2 涵道

  无人机的涵道可以用来保护桨叶和人身安全，除此涵道还能提高拉力效率和减少噪音。涵道提升拉力的原理主要时伯努利原理。

螺旋桨周围的涵道

2. 动力系统

2.1 螺旋桨

  合适的螺旋桨是提高无人机行能和效率的一种直接、有效的方法。一般螺旋桨的型号由四位数字描述，如“1045”，前两位表示螺旋桨的直径，后两位表示螺距。
  实验表名，螺旋桨叶数增加时，其最大拉力会增加，但效率会稍有降低。
  制作螺旋桨的材料包括碳纤维、塑料、木头等。

2.2 电机

  多旋翼无人机主要选用无刷直流电机，无刷直流电机可以分为外转子电机和内转子电机，外转子电机可以提供更大的力矩。
  电机的旋转速度主要由电调发送的PWM（脉冲宽度调试）控制。
  电机在型号名称中用4位数字来表示，如“2212”，前两位数字表示定子直径，后两位数表示定子高度。
  无刷直流电机的KV值（单位RPM/V，转每分/伏）是指在空载情况下，外加1V电压得到的电机转速值（单位RPM）。
  电机效率是评估行能的一个重要参数：电机效率=机械功率/电功率。

常见的无刷电机

2.3 电调

  电调的基本功能是根据接收自驾仪传输的PWM信号来控制电机转速。
  最大持续电流和峰值电流是无刷电调最重要的参数。

电调

2.4 电池

  市面上无人机使用的电池主要为锂电池和镍氢电池。
  电池的基本参数包括电压、容量、内阻和放电倍率。航模专用锂聚合物电池单节电芯的标称电压是3.7V，充满电可达4.2V。在实际过程中，电池电压会随电池放电而逐渐降低。毫安时（mAh）或安时（Ah）是常见的用来描述某一个电池能容纳多少电量的单位。5000mAh的电池容量表示电池以5000mA的电流放电可以放电1小时。放电电流的大小常用放电倍率来表示：放电倍率（单位：C）=放电电流（单位：mA）/容量（单位：mAh）

高倍率电池

3. 指挥控制系统

3.1 遥控器和接收机

  遥控器用于发送遥控指令到相应的接收机，遥控器与接收机之间通过无线电波进行连接通讯，常用的无线电频率是72MHz和2.4GHz。2.4G无线电通信技术具有如下优势：
（1）频率高，可以自动规划和设定频点，不需要通过更换晶体来设定频率；
（2）同频概率小，在多个遥控器设备近距离同时工作的情况下，可以自动让频、跳频，以避免相互干扰；
（3）功耗低，因为没有控制频率的零件，功耗大大降低；
（4）体积小，控制波长很短，所以发射和接收天线都可以做的很短；
（5）反应迅速、控制精度高；
  遥控器的一个通道对应一个独立的动作，一般遥控器分为六通道、八通道、十通道或者更多。多旋翼在控制过程中需要控制的动作通道数由油门、偏航、俯仰和翻滚，所以多旋翼遥控器最少需要四通道。
  通常，遥控器的油门操纵杆不会自动回中，电机转速与油门指令正相关。

3.2 自驾仪

  多旋翼无人机自驾仪是一个用于控制多旋翼姿态、位置和轨迹的飞行控制系统，可以设置为飞控手实时遥控的半自主遥控方式，也可以是全自主控制方式。

3.3 地面站

  软件是地面站的一个重要组成部分，通过地面站软件，操作员可以用鼠标、键盘、按钮和操控手柄等外设来与多旋翼自驾仪进行交互。

3.4 数传电台

  数字电台是用于高精度无线数据传输的模块，借助DSP技术、数字调制与解调技术和无线电技术，具有向前纠错、均衡软判决等功能。

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