03四旋翼无人机的组成和拼装(下)2020-08-01

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2020年12月30日 09时04分

一、螺旋桨

 

  • 螺旋桨是直接产生无人机运动所需力与力矩的部件
  • 合适的螺旋桨对提高无人机性能和效率

 

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(1)型号

 

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桨距(Propeller Pitch):假设螺旋桨在一种不能流动的介质中旋转,那么螺旋桨每旋转一周,就会向前前进一个距离,这个距离就是螺距或桨距

 

(2)弦长

 

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(3)转动惯量

 

较小的转动惯量可以提升电机的相应速度,从而提升多旋翼的性能,拉力控制的反应和速度。

当转速发生变化的时候,转动惯量小,桨比较轻,只要一个小的扭矩就容易变化了

 

(4)力效

 

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注意:拉力的单位是克g!!!

机械功率越大越费电,力效越大越省电

 

(5)桨叶数

 

相同直径下,桨叶数增加可提高拉力,但力效会降低(桨叶间的桨距变小,桨叶间干扰加剧)

小型多旋翼无人机通常用二叶桨。

 

(6)安全转速

 

不是说电机转多快,螺旋桨就可以转多块

螺旋桨转速越高,桨叶形变越大,当螺旋桨转速达到一定程度的时候,螺旋桨的力效就会降低,因此需要使螺旋桨工作在安全转速以下。

超出螺旋间的设计范围的时候,浪费了

 

静平衡和动平衡

 

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二、电机

 

多旋翼的电机基本上主要以无刷直流电机为主

 

  • 无刷直流电机具有多种优势,效率高、便于小型化以及制造成本低
  • 根据转子的位置,无刷电机可以进一步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,因此驱动螺旋桨效率更高)

 

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工作原理

 

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通入三相电,一个周期内分成六段,分成正,不通,负三种

使得360度的范围内,转子都处于一个比较大的力矩

而这个换相的操作就是电调的作用(六个开关在特定的时刻进行开闭)

 

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通霍尔传感器,过查看切换的频率来计算电机的转速,或者是公式,来蒋信息反馈

 

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这个Bock EMF是反向电动势,反向电动势来测速

 

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03四旋翼无人机的组成和拼装(下)2020-08-01插图(12)

 

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这个是示波器测电调三相的电压

 

(1)尺寸

 

电机的尺寸取决于定子的大小,由一个四位数来表示。

2212(22×12)电机:直径是22mm,定子的高度是12mm

 

(2)标称空载KV值

 

无刷直流电机的kv值:空载的情况下,外加1v电压得到的电机转速值(单位:RPM)

空载:没放螺旋桨

工程经验:大的螺旋桨选用kv值小的电机,而小的螺旋桨可以选用kv值大的电机

 

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(3)标称空载电流和电压

 

空载下,对电机施加空载电压(通常是10v)时测得电机电流称为空载电流

 

(4)最大电流/功率/电压

 

最大峰值(瞬间)电流/功率:电机所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

最大电压常用最大电池节数(几S)表示:选择电池节数的时候需要看电机可以抗多大的电压

 

(5)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,有时可能达到几十安培,所以该小内阻不可忽略

过热容易烧掉,内阻越小越好

 

(6)电机效率

 

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三、电调

 

电子调速器 Electronic Speed Control 简称ESC

 

  • 为无刷电机提供三相交流电
  • 为遥控接收器上其他通道的舵机供电
  • 其他辅助功能

 

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电调给其他外设供电(树莓派、单片机、其他的板子等等)

 

  • 最大持续/峰值电流
  • 电压范围
  • 内阻
  • 刷新频率
  • 可编程性

 

补充:PWM、PPM与SBUS

 

PWM(脉冲宽度调制):只能传输一个通道的信号

PPM(脉冲位置调制):最多传输八个通道的信号

用调制信号控制脉冲序列中各脉冲的相对位置(即相位),使各脉冲的相对位置随调制信号变化。此时脉冲序列中脉冲的幅度和宽度均保持不变。PPM的主要特征参数:相位。

SBUS(串口总线):可传输多余八个通道的信号,且可以同时连接多个设备

 

四、电池

 

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(1)电压

 

  • 锂电池包含两部分: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(series),P表示并联(parallel)
    • 2S2P电池:表示2片锂聚合物电池的串联,然后这样的两个串联结构并联,总电压是7.4V,容量是单个电池的两倍
  • 不仅放电过程中电压会下降,而且由于电池本身具有内阻,放电电流越大,自身内阻导致的压降就越大,输出的电压就越小

 

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(2)容量

 

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(3)充/放电倍率

 

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(4)内阻

 

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(5)能量密度

 

一定空间或质量物质中存储能量的大小

 

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五、动力系统设计

 

1.理论计算(以求解悬停时间为例)

 

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2.经验法(以F450为例)

 

例子:飞行器总重2kg,螺旋桨尺寸10inch,从ATG中选,电机从朗宇2216中选,电调在好盈天行者中选,电池从格式中选

一种答案:1047 + KV1100 +30A + 5300mah

 

(1)确定螺旋桨尺寸

 

  • 尺寸允许的条件下,桨越大,效率越高

 

(2)根据设计飞行器的总质量,确定总电机最大拉力

 

  • 不宜过大也不宜太小
    • 过大拉力,动力浪费
    • 动力过小,机动性差
    • 一般选择悬停油门为50%

 

(3)查表,寻找符合要求的电机——螺旋桨——电调组合

 

  • 此过程,也将确定最大电流和最大电压(就是上官网或网上商铺找对应的参数的电机电调螺旋桨组合)

 

(4)根据续航要求,选择合适的电池

 

(5)实际飞行测试

 

1608734385(1)1608734465(1)

 

六、拼装

 

这部分知识略去,在其他的笔记中会介绍使用的方法

 

七、无人机注册备案

 

https://uav.caac.gov.cn/enter   这个网址莫名奇妙的打不开了

知乎:无人机起飞要备案吗?

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