無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle），指的是一種由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的、無線遙控或自主飛行、機(jī)上無人駕駛并可重復(fù)使用的飛行器，飛機(jī)通過機(jī)載的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)飛行的平衡進(jìn)行有效的控制，并通過預(yù)先設(shè)定或飛機(jī)自動(dòng)生成的復(fù)雜航線進(jìn)行飛行，并在飛行過程中自動(dòng)執(zhí)行相關(guān)任務(wù)和異常處理。

本篇博客主要介紹多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)基本組成

多旋翼無人機(jī)基本組成

機(jī)械系統(tǒng)

多旋翼無人機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)主要包括

• 機(jī)身
• 機(jī)臂
• 起落架

多軸飛行器的機(jī)身結(jié)構(gòu)多種多樣，根據(jù)可連接機(jī)臂數(shù)量區(qū)分可分為四軸、六軸、八軸。不同機(jī)臂數(shù)量各有各的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同可靈活選擇，四軸飛行器的優(yōu)勢(shì)是航時(shí)長，結(jié)構(gòu)簡單；六軸和八軸飛行器要比四軸飛行器航時(shí)低，但其飛行穩(wěn)定性相對(duì)四軸飛行器有所提高，六軸和八軸飛行器另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在飛行過程中其中一個(gè)機(jī)臂出現(xiàn)問題造成電機(jī)停轉(zhuǎn)后另外機(jī)臂依然可以控制飛行器保持平穩(wěn)，這項(xiàng)冗余功能是四軸飛行器所不具備的。在行業(yè)應(yīng)用要求高航時(shí)例如植保、電力巡線可采用四軸飛行器，在航拍、攝影等要求飛行器穩(wěn)定、安全可采用六軸飛行器。

四軸飛行器依據(jù)其機(jī)身布局結(jié)構(gòu)可分為“十”型和“X”型。
 
四軸飛行器，也可以同軸共槳，就是一個(gè)電機(jī)，有上下兩個(gè)槳，這樣可以使得飛行器的負(fù)載能力提高，但是弊端就是會(huì)降低飛行時(shí)間。
 

多旋翼飛行器機(jī)臂用于連接機(jī)身與電機(jī)，其連接件結(jié)構(gòu)硬度要強(qiáng)，否則會(huì)造成機(jī)身振動(dòng)增大飛控姿態(tài)解算誤差。起落架的作用是在無人機(jī)起飛和降落時(shí)起到緩沖的作用。

動(dòng)力系統(tǒng)

旋翼無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)包括無刷電機(jī)、電子調(diào)速器、Li-Po電池、螺旋槳。

以四旋翼為例，動(dòng)力系統(tǒng)的框圖如下圖所示，電池連接分電板，分電板連接電調(diào)，電調(diào)連接電機(jī)，電機(jī)連接螺旋槳，構(gòu)成一路的動(dòng)力系統(tǒng)，四旋翼則有四路。
 

直流無刷電機(jī)

 
無刷電機(jī)是指無電刷和換向器（或集電環(huán)）的電機(jī)，又稱無換向器電機(jī)，由主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品無刷電機(jī)具有工作效率高、調(diào)速范圍廣、可靠性高、穩(wěn)定性好及過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

無刷電機(jī)有多種型號(hào)，基本參數(shù)有

• 直徑
• 高度
• KV值

根據(jù)應(yīng)用飛機(jī)情況不同需選用相應(yīng)參數(shù)的電機(jī)。
電機(jī)的直徑與高度與機(jī)臂上的電機(jī)托相關(guān)，KV值與無人機(jī)的軸距相關(guān)，電機(jī)的KV值與電機(jī)扭矩成反比，一般大軸距的飛機(jī)要配低KV值大尺寸的螺旋槳，來產(chǎn)生較高的拉力，小軸距的飛機(jī)要配高KV值小尺寸的螺旋槳，來調(diào)節(jié)更加精細(xì)。

例如：颶風(fēng)牌U2810 KV750直流無刷電機(jī)
其中U2810代表電機(jī)直徑28mm，高度10mm，KV750表示電機(jī)在空載情況下，電機(jī)的輸入信號(hào)每增加1V，電機(jī)的轉(zhuǎn)速增加750rmp

電子調(diào)速器

 
直流無刷電子調(diào)速器（Electronic Speed Control，ESC），通常簡稱為電調(diào)，功能為接收飛控端發(fā)出的PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)和調(diào)節(jié)直流無刷電機(jī)。

電調(diào)有四種保護(hù)功能：

• 啟動(dòng)保護(hù)：如果當(dāng)推油門動(dòng)作執(zhí)行后，兩秒內(nèi)，馬達(dá)未能正常啟動(dòng)，此時(shí)電調(diào)將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉馬達(dá)，油門需再次拉到最低后，才可以重新啟動(dòng)。
• 溫度保護(hù)：當(dāng)電調(diào)工作溫度過高，超過110℃時(shí)，電調(diào)會(huì)自動(dòng)降低輸出功率，但不會(huì)將輸出功率全部關(guān)閉，最多只降到全功率的40%，避免摔機(jī)。
• 假如發(fā)生遙控器油門信號(hào)持續(xù)丟失1秒，電調(diào)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到該情況，并開始逐漸降低輸出功率，在降低期間信號(hào)依然未恢復(fù)，則會(huì)一直降低到零輸出。若在降低期間信號(hào)恢復(fù)，則立即恢復(fù)油門控制。
• 過負(fù)荷保護(hù)：當(dāng)負(fù)載突然變很大時(shí)，電調(diào)會(huì)切斷動(dòng)力，或自動(dòng)重啟。

在首次使用無刷電子調(diào)速器時(shí)為了讓電調(diào)適應(yīng)遙控器油門行程，需要進(jìn)行油門行程校準(zhǔn)。校準(zhǔn)的流程如下：

Li-Po電池

 
Li-Po電池為整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)提供能量來源，鋰聚合物電池相比傳統(tǒng)的鎳鎘電池具有性能高、體積小、質(zhì)量輕、容量大、散熱快等特點(diǎn)在無人機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛的使用。Li-Po電池單節(jié)電壓為3.7v，滿電電壓為4.2v。

螺旋槳

 
多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)通過電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，向下吹風(fēng)產(chǎn)生向上推力，是無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)中不可或缺的一部分。

按材料分螺旋槳可分為：

• 碳纖維
• 木槳
• 注塑槳

木槳的材料多為櫸木，硬度高，重量輕，經(jīng)過風(fēng)干打蠟上漆以后不怕受潮，在航空史上，木槳在早期扮演了非常重要的角色。碳纖維是一種與人造絲，合成纖維一樣的纖維狀碳材料。由于碳纖維的材料原因，它有優(yōu)異的硬度和合適的漿型，效率優(yōu)于木槳。以上兩種槳的價(jià)格都過高，對(duì)于一般使用者都選擇注塑槳。

螺旋槳的型號(hào)由如8045，1038等4位數(shù)字表示，分別代表槳葉兩個(gè)重要的參數(shù)，槳直徑和槳螺距。槳直徑是指槳轉(zhuǎn)動(dòng)所形成的圓的直徑，對(duì)于雙葉槳（兩片槳葉，這是最常用的槳）恰好是兩片槳葉長度之和，由前兩位數(shù)字表示，如上面的80和10，單位為英寸。槳螺距則代表槳旋轉(zhuǎn)一周前進(jìn)的距離，由后兩位數(shù)字表示，如上面的45和38。槳直徑和螺距越大，槳能提供的拉（推）力越大

槳葉會(huì)隨著電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，所以其旋轉(zhuǎn)平衡是一個(gè)很重要的指標(biāo)。如果槳葉有一頭重一頭輕，或者一側(cè)輕一側(cè)重等不平衡問題，那么在旋轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生左右/前后晃動(dòng)等問題。這樣不僅僅動(dòng)力效率低，而且還可能會(huì)損壞電機(jī)造成飛機(jī)炸機(jī)。一般的槳葉都已經(jīng)進(jìn)行過自平衡測(cè)試，對(duì)于要求高的場(chǎng)合也可以自己調(diào)節(jié)槳葉的自平衡。下面是一種常見的測(cè)試自平衡的工具。

飛行控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)(Flight control system)，簡稱飛控，是無人機(jī)最重要的部分，相當(dāng)于無人機(jī)的大腦。飛控一般由一塊或多塊MCU及各種傳感器組成。MCU處理相關(guān)傳感器的信息，經(jīng)過計(jì)算解算出飛機(jī)的當(dāng)前姿態(tài)，位置，狀態(tài)等信息，并根據(jù)接收到的來自遙控器或地面站的指令，輸出電機(jī)的控制信號(hào)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生相應(yīng)變化，改變飛機(jī)姿態(tài)，達(dá)到期望任務(wù)。

現(xiàn)在市面上的飛行控制器分為兩種。一種是由商業(yè)公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，例如DJI的Naze系列飛控，一般都是閉源的，并且經(jīng)過正規(guī)系統(tǒng)的測(cè)試，穩(wěn)定性方面有保障。另外一種就是由愛好者或者公司發(fā)起的開源飛控，這類飛控的硬件設(shè)計(jì)和軟件代碼一般都是開放的，如果有更多的人參與，能夠快速迭代改進(jìn)。

 
最后上一個(gè)完整的無人機(jī)系統(tǒng)圖如下：