《多旋翼性能估算浅析-预估多旋翼的悬停时间,载重能力,飞行速度》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多旋翼性能估算浅析-预估多旋翼的悬停时间,载重能力,飞行速度（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、多旋翼性能估算多旋翼性能估算浅析浅析 -北航可靠飞行控制研究组(微信公众号:buaarfly) 1. 简介简介 近年来， 多旋翼飞行器发展迅速。 不仅仅在航拍领域， 多旋翼还在农业植保、 电力巡线、地质勘探、交通管理、快递运输等方面同样具有非常可观的发展前景。然而，就在多旋翼迅速发展的同时，其相应的零部件供应日益多样。因为多旋翼的载重根据需求各不相同，所以对应的“最优”零部件组合包括多旋翼构型（四旋翼、六旋翼还是八旋翼）也各不相同。最优的零部件组合和多旋翼构型可以最大程度地提升多旋翼的续航时间。 这也是目前最简单直接的解决方法。 因此， 如何合理选择相应零部件和飞行器构型来制作一架满足需求的多
2、旋翼逐渐成为大家关注的问题。 然而， 这对于普通飞行爱好者甚至中小型飞行器公司飞行器设计者来说，零部件种类繁多，会给大家造成选择性障碍。一般大家采用的方法是依靠已有的机型的经验或者通过反复实验的方法。这不仅限制了机型，而且会浪费大量的人力物力，特别是大型或载人的多旋翼。因此，很有必要解决如下两个问题： (1) 根据给定的配置计估算一架多旋翼飞行器的悬停时间、 最大负载重量和飞行距离等飞行性能。 (2) 根据给定一架多旋翼飞行器的悬停时间、 最大负载重量和飞行距离等飞行性能给出最佳的配置。 目前，在北航可靠飞行控制研究组（http:/ 。与此同时，我们也在朝解决第二个问题的方向迈进。下面，我们将
3、简单分享下根据给定的配置，如何估算一架多旋翼的悬停时间的，即第一个问题的解决思路。 2. 动力系统动力系统介绍介绍 飞行性能主要由多旋翼的动力系统决定。多旋翼的动力系统由航模电池、电子调速器、直流无刷电机、螺旋桨四个部分组成，各部分器件均具有一定的规格和相应的性能，所以该四部分具有相应的最佳匹配组合。工程经验上的“高 KV 值电机配小桨，低 KV 值配大桨”隐含的就是这个道理。对于螺旋桨，主要考虑其尺寸规格对其升阻性能的影响。对于电机，主要考虑其不同型号 KV 值的不同对电机转速的影响， 同时电机的性能是否优越还要取决于其标称空载电流和空载电压以及电枢内阻。对于电调，主要考虑其最大限制电流，其
4、内阻对电池电压将起到一定的降压作用。 对于电池， 主要考虑其总容量大影响多旋翼的续航时长及其最大放电倍率限制其放电最大电流。 这些动力系统部件之间的关系环环相扣， 对最终性能影响十分重要。 结合市面上厂商提供的动力系统各部分器件的性能指标， 设定各型号参数类别，具体参数见表 1。 表表 1. 器件参数设定器件参数设定 器件 参数指标 螺旋桨 直径、螺距、桨叶数 电机 空载 KV 值、额定空载电流电压、最大电流、内阻、重量 电调 最大电流、内阻、重量 电池 总容量、内阻、总电压、最大放电倍率、重量 为了方便读者了解参数的意义，我们先对它们进行一定的介绍。 2.1 螺旋桨螺旋桨 （1）作用作用 螺
5、旋桨是直接产生推力的部件，同样是以追求效率为第一目的。匹配的电机、电调和螺旋桨搭配， 可以在相同的推力下耗用更少的电量， 这样就能延长多旋翼的续航时间。因此，选择最优的螺旋桨是提高续航时间的一条捷径。螺旋桨是有正反两种方向的，因为电机驱动螺旋桨转动时，本身会产生一个反扭力，会导致机架反向旋转。而通过一个电机正向旋转、一个电机反向旋转，可以互相抵消这种反扭力，相对应的螺旋桨的方向也就相反了。 （a）2叶桨（b）3叶桨图 1. 螺旋桨实物图 （2）指标参数指标参数 1）型号 假设螺旋桨在一种不能流动的介质中旋转， 那么螺旋桨每转一圈， 就会向前进一个距离，就称为螺距。显然，桨叶的角度越大，桨距也越
6、大，角度与旋转平面角度为 0，桨距也为 0。螺旋桨一般用 4 个数字表示，其中前面 2 位是螺旋桨的直径，后面 2 位是螺旋桨的螺距。比如：1045 桨的直径为 10 英寸，而螺距为 4.5 英寸。 2）桨叶数 如图 1 所示，图 1(a)是 2 叶桨，图 1(b)是 3 叶桨。有实验表明，对于多旋翼，2 叶桨的性能最优。 3）安全转速 因为多旋翼所使用的螺旋桨都具有一定柔性，所以超过一定转速后，螺旋桨就会发生形变，效率也因而降低。安全转速的计算，要保证在所有可能工况下不超过最高允许转速。比如：APC 网站上给出他们提供的多旋翼桨（Multi-Rotor (MR) Propellers）的最大
7、桨速（rpm，revolutions per minute，转/分钟）是 105000/prop diameter (inches)。以最常用的10寸桨为例， 多旋翼桨最大桨速为10500rpm。 慢飞桨 （Slow Flyer (SF) Propellers）最大桨速只有 65000/prop diameter (inches)。因此，选择螺旋桨要注意使用场合。 2.2 电机电机 （1） 作用作用 多旋翼的电机主要以无刷直流电机为主，将电能转换成机械能。无刷直流电机运转时靠电子电路换向， 这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰， 也减小了噪音。它一头固定在机架力臂的电机座，一头固定螺旋
8、桨，通过旋转产生向下的推力。不同大小、负载的机架，需要配合不同规格、功率的电机。 图 2 无刷直流电机实物图 （2） 指标参数指标参数 1）尺寸 一般用 4 个数字表示，其中前面 2 位是电机转子的直径，后面 2 位是电机转子的高度。 简单地说， 前面 2 位越大， 电机越肥， 后面 2 位越大， 电机越高。 又高又大的电机，功率就更大，适合做大四轴。比如： 2212 电机表示电机转子的直径是 22mm, 电机转子的高度是 12mm。 2） 标称空载 KV 值 无刷电机 KV 值定义为“ 转速/伏特”，意思为输入电压增加 1 伏特，无刷电机空转转速增加的转速值。 例如： 1000KV 电机，
9、外加 1V 电压， 电机空转时每分钟转 1000 转，外加 2V 电压，电机空转就 2000 转了。单从 KV 值，无法评价电机的好坏，因为不同KV 值有适用不同尺寸的桨。 3）标称空载电流和电压 在空载试验时，对电动机施加标称空载电压，使其不带任何负载空转，定子三相绕组中通过的电流，称为标称空载电流。 4）最大电流 电机能承受的最大电流 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甚至可以达到几十安培，所以该小内阻不可忽略。 2.3 电调电调 （1）作用作用 电调全称电子调速器，英文 Electronic Speed Control，简称 ESC。飞控板提供的电
10、流无法直接驱动无刷电机，它需要通过电调最终控制电机的转速。电调最基本的功能就是电机调速（通过飞控板给定电压进行调节），其次，还可以为遥控接收器上其它通道的舵机供电。而无刷电调多了一个重要功能，就是充当换相器的角色，因为无刷电机没有电刷进行换相 （直流电源转化为三相电源供给无刷电机， 并对无刷电机起调速作用） ，所以需要靠电调进行电子换相。当然，电调还有一些其它辅助功能，如电池保护，启动保护、刹车等。电调的作用就是将多旋翼飞行控制单元的控制信号快速转变为电枢电压大小和电流的大小，以控制电机的转速。因为电机的电流是很大的，如果没有电调的存在， 单靠电池供电是无法给无刷直流电机供电的， 同时飞控板又
11、没有这么大的放电功率，所以电调对电机而言是至关重要的驱动电路。 电调的另一个作用是为机载其他电子设备提供稳压电源。 电调都会标上多少 A，如 30A，50A。这是电调最大允许通过电流大小，超过该电流值电调会被损坏。同时，电调具有相应内阻，其发热功率需要得到注意。有些电调电流可以达到几十安培， 发热功率是电流的平方的函数， 所以电调的散热性能也十分重要，因此大规格电调内阻一般都比较小。 JST连接头连接头(公公)标准标准J-Type插头线长插头线长180mm42mm18AWG硅胶线线长硅胶线线长70mm 18AWG硅胶线线长硅胶线线长40mm24mm3mm香蕉头香蕉头(母母)图 3 多旋翼专用高
12、速控制（UltraPWM）无刷电调实物图 （2）指标参数指标参数 1）电流 无刷电调最主要的参数是电调的功率，通常以安数 A 来表示，如 10A、20A、30A。不同电机需要配备不同安数的电调，安数不足会导致电调甚至电机烧毁。更具体地，无刷电调有持续电流和 X 秒内瞬时电流两个重要参数， 前者表示正常时的电流， 而后者表示 X 秒内的容忍的最大电流。 选择电调型号的时候一定要注意电调最大电流的大小是否满足要求，是否留有足够的安全裕度容量，以避免电调上面的功率管烧坏。市面上的中型电调电流规格大多以整十安培为型号分类， 其中 50A 电调， 其最大电流可能不到 50A，只有 45A，这个时候如果电
13、流超过 45A 可能就会损坏电调。所以，一般在选取电调的时候会考虑增加一定的安全裕度。 2）内阻 电调具有相应内阻，其发热功率需要得到注意。有些电调电流可以达到几十安培，发热功率是电流的平方的函数，所以电调的散热性能也十分重要，因此大规格电调内阻一般都比较小。 2.4 电池电池 （1）作用作用 电池主要用于提供能量。目前航模最大的问题在于续航时间不够，其关键就在于电池容量的大小。现在可用来做模型动力的电池种类很多，常见的有锂电池和镍氢电池，主要源于其优良的性能和便宜的价格优势。然而，对于多旋翼无人机而言，电池单位重量的能量载荷很大程度上限制了其飞行时间和任务拓展。 图 4 航模电池实物图 （2
14、）指标参数指标参数 电池的基本特征主要有电压、放电容量、内阻大小、放电倍率。航模专用锂聚合物电池单节标称电压一般为 3.7V，充满电可到 4.2V，一般为保证总够电池容量及电压，可将三节电池串联使用。在实际过程中，在电池的放电过程中，电池容量逐渐减小，并且研究表明在某些区域，电池剩余容量与电池电流基本呈线性下降关系。而在电池放电后期， 电池容量随电流的变化可能是急剧下降， 所以一般会设置航模电池安全电压， 3.4V或者其他，视具体情况而定，确保无人机在电池耗完前有足够的电量返航。另外，不仅在放电过程中电压会下降，而且由于电池本身具有内阻，其放电电流越大，自身由于内阻导致的压降就越大，所以输出的
15、电压就越小。特别注意，在电池使用过程中，不能使电池电量完全放完，不然会对电池造成电量无法恢复的损伤。 1）电压 锂电池组包含两部分： 电池和锂电池保护线路。 在电池组中是把多个电池串联起来，得到所需要的工作电压。如果所需要的是更高的容量和更大的电流，那就应该把电池并联起来。另外还有一些电池组，把串联和并联这两种方法结合起来。多旋翼飞机通常用的是锂聚合物电池， 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，P 表示并联。又如 2S2P 电池表示 2 片锂聚合物电池的串联，然后两个这样的串联结构并联， 总电压是 7.4V， 电流是单个电池的
16、两倍。 它们连接原理图见图 5。 (a) 3S1P(b) 2S2P图 5 电芯组合方式 2）容量 电池的容量是用毫安时来表示的。5000 毫安时的电池表示该电池以 5000 毫安的电流放电可以持续一小时。但是，随着放电过程的进行，电池的放电能力在下降，其输出电压会缓慢下降， 所以导致其剩余容量与放电时间并非是线性关系。 而在第四章建模时，我们简化模型研究方法，假定电池的剩余容量与放电电流基本呈比例关系，设定相关系数作修正补偿，对电池容量的建模不考虑其降压效应，将其等效为一个恒压源和一个电阻的串联。另外，在实际多旋翼飞行过程中，有两种方式检测电池的剩余容量是否满足飞行安全的要求。一种方式是检测电池单节电压，这种方式应用比较广泛，可通过传感器实时检测电池电压，衡量电池剩余电量大小；另一种方式是实时检测电池输出电流做积分计算，这种方法的可实现性较弱，相应传感器的使用尚未普及。 3）放电倍率 一般充放电电流的大小常用充放电
