多旋翼飞行器培训文本

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1、1前言多旋翼的系统组成 多旋翼无人机系统只要有飞机主体，动力系统 ，控制系统，以及根据任务所需搭载的一些设备组成。搭载的设备一般有云台（含相机）， 药箱（含喷洒系统），激光雷达，架设设备等。 下图为其系统构成简图。 按以下图片所含系统逐一讲解各部分。2一1.1飞机主体多旋翼飞行器简介多旋翼飞行器，其包括有机体及多个安装在机体上的、在同一水平面上的旋翼组成。旋翼的个数 N 为偶数，如 N2，4，6，8 等，是由几何尺寸和数量 都相等的正反旋翼组成。所有的旋翼呈 360/N 度夹角均布机体的周边，正旋翼与反旋翼交替布置，旋向相反，升力向上。每个旋翼既可以由电机或油机 直接驱动 ，也可以通过同步带等

2、运动传递 装置从机体上别的部位驱动 。该多旋翼飞行器的多个旋翼之间的扭力矩可相互抵消，不需要尾翼或尾桨等平衡 装置，结构紧凑，运动灵活。多旋翼飞行器既可垂直起降，空中悬停，也能原地旋转或平飞。最简单 的多旋翼飞行器即为四旋翼飞行器。一般旋翼的个数一般就为 4，6，8，18，18 轴为 6 轴的延伸。 一般没有超过 8 轴的旋翼，因为旋翼按 360/N 度夹角均布机体的周边，如果旋翼个数过多， 机臂之间的夹角过小，导致其装载的桨叶旋转之后会发生碰撞。1.2多旋翼飞行器工作原理多旋翼飞行器通过调节 相应的 N 个电机转速来改变旋翼转速，实现 升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一

3、种最简单 的旋翼飞行 器，下面以四旋翼为例介绍其基本的工作原理。34四旋翼飞行器的电机 1 和电机 3 逆时针旋转的同时，电机 2 和电机 4 顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力 扭矩效应均被抵消。在上图中，电机 1 和电机 3 作逆时针旋转，电机 2 和电机 4 作顺时针旋转，规定沿 x 轴正方向运动称为向前运动，沿 y 轴轴正方向运动为向左运动，沿 z 轴正方向运动为向上运动。箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转 速下降。（a）垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器 便离地

4、垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿 z 轴的垂直运动。当外 界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。（b）俯仰运动：在图（b）中，电机 1 的转速上升，电机 3 的转速下降（改变量大小应相等），电机 2、电机 4 的转速保持不变。 由于旋翼 1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，产生的不平衡力矩使机身倾斜，产生水平向后的分力，此时飞行器向后飞行。表现为 同理，当电机 1 的转速下降，电机 3 的转速上升，产生的不平衡力矩使机身倾斜，产生水平向前的分力，此时飞行器向前飞行。（c）滚转运动：与图 b 的原理相

5、同，在图 c 中，改变电机 2 和电机 4 的转速，保持电机 1 和电机 3 的转速不变，电机 2 转速加大， 升力变大，电机 4 转速变小，升力亦变小，使机身沿 X 轴旋转，向左倾斜，产生水平向左的分力，使飞行器水平向左飞行。表现为同 理，当电机 2 转速减小，电机 4 转速加大，会使机身向右倾斜，产生水平向右的分力，使飞行器水平向右飞行。（d）偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正 转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭 矩相互平衡，四旋翼

6、飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图 d 中，当电 机 1 和电机 3 的转速上升，电机 2 和电机 4 的转速下降时，旋翼 1 和旋翼 3 对机身的反扭矩大于旋翼 2 和旋翼 4 对机身的反扭矩， 机身便在富余反扭矩的作用下绕 z 轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、电机 3 的转向相反。51.3 多旋翼的机架设计 要求保证其机械强度，使飞机在飞行时不会因为承重件的强度不够产生震动，脚架要求其强度足以支撑飞行器 设计的最大起飞重量。二 动力系统飞行器要想克服重力起飞离开地面，必须产生足够的升力来做功。其能量来源于其动力系统。动力系

7、统包含产生电机，电调，电池（充 电器），螺旋桨。飞行器的升力来源于电机上安装的带有与水平面仰角的桨叶高速旋转时产生的桨叶上下表面压力差。2.1 电机的简介电机的种类多种多样，本文主要介绍多旋翼飞行器上的专用电机。此电机主要是无刷直流外转子流盘式电机。现在的航模以及无人机上几乎都使用无刷电机。 无刷直流电机基本概念6无刷直流电机是随着半导体电子技术发展而出现的新型机电一体化电机，它是现代电子技术（包括电子电力、微电子技术）、控制理 论和电机技术相结合的产物。和普通的有刷直流电机利用电枢绕组旋转换向不同，无刷电机是利用电子换向并磁钢旋转的电机。普通的直流电机是利用碳刷进行换 向的，碳刷换向存在很大

8、的缺点，主要包括 1、机械换向产生的火花引起换向器和电刷摩擦、电磁干扰、噪声大、寿命短。2、结构复 杂、可靠性差、故障多，需要经常维护。3、由于换向器存在，限制了转子惯量的进一步下降，影响了动态性能。而无刷直流电机的命名就说明了电机的特性：在电机性能上和直流电机性能相近，同时电机没有碳刷。无刷电机是通过电子换向达到 电机连续运转目的的。无刷电机的换向模式分为方波和正弦波驱动，就其位置传感器和控制电路来说，方波驱动相对简单、价廉而得到广泛利用。目前，绝 大多数无刷电机采用方波驱动，目无刷电机的技术优势及劣势无刷电机的技术优势 ：1、 良好的可控性、宽调速范围。2、较高的可靠性、工作寿命长、无需经

9、常维护。3、功率因数高、工作效率高、功率密度大。同样的，无刷直流电机也存在一定的技术劣势1、 需要电子控制器才能工作，增加了技术复杂性和成本、降低了可靠性。2、转子永磁材料限制了电机使用环境，不适用于高温环境。73、有明显的转矩波动，限制了电机在高性能伺服系统、低速度纹波系统的应用。前市场上的模型电机全部是方波驱动。 无刷电机基本参数命名：外转子电机的命名原则，各个厂家有所不同，有以电机定子的直径高度来命名，也有以电机的直径高度来命名，我司的电机都 是以电机定子的直径与高度来命名。例如 2212 电机，指的是该电机定子直径 22MM，高度 12MM。定子直径：硅钢片定子的直径定子高度（厚度）：

10、硅钢片定子的高度铁芯极数（槽数）：定子硅钢片的槽数量磁钢极数（极数）：转子上磁钢的数量匝数（T）：电机定子槽上面所绕漆包线的圈数，注意，常规匝数指的是相邻 2 个槽所绕线圈数量的和，即一个槽绕 8 圈，另外一个也 是 8 圈，就是 16T。KV 值：电机的运转速度，越大电机转速越大。电机转速=KV 值*工作电压。空载电流：指定电压下，电机无任何负载的工作电流相电阻：电机连接完毕后，2 个接点之间的电阻值最大持续电流：该电机运转的最大安全电流最大持续功率：该电机运转的最大安全功率功率=电压*电流电机重量：电机的重量轴径：转轴 的直径 无刷电机几个重要参数解析a、额定电压无刷电机适合的工作电压 ，

11、其实无刷电机适合的工作电压 非常广，额定电压 是指定了负载 条件而得出的情况。例如说，2212-850KV 电 机指定了 1045 螺旋桨的负载 ，其额定工作电压 就是 11V。如果减小负载 ，例如带 7040 螺旋桨，那这个电机完全可以工作在 22V 电压 下。但是这个工作电压 也不是无限上升的，主要受制于电子控制器支持的最高频率。所以说，额定工作是由工作环境决定的。b、KV 值有刷直流电机是根据额定工作电压 来标注额定转速的，无刷电机引入了 KV 值的概念，而让用户可以直观的知道无刷电机在具体的工作 电压 下的具体转速。实际转 速=KV 值*工作电压 ，这就是 KV 的实际 意义，就是在

12、1V 工作电压 下每分钟的转速。无刷直流电机的转速与 电压 呈正比关系，电机的转速会随着电压 上升而线性上升。例如，2212-850KV 电机在 10V 电压 下的转速就是：850*10=8500RPM （RPM， 每分钟转 速）。KV 值与匝数是呈反比例关系的，例如 2212-850KV，匝数是 30T（15 圈），那在 28T 的情况下的 KV 值是：850KV*30T/28T=910KV。c、转矩与转速8转矩：（力矩、扭矩）电机中转子产生的可以用来带动 机械负载 的驱动 力矩，我们可以理解电机的力量。转速：电机每分钟的转速。电机的转矩和转速在同一个电机内永远是一个此消彼长的关系，基本可以

13、认为转 矩和转速的乘积是一个定数，即同一个电机的转速越 高，必定其转矩越低，相反也依然。不可能要求个电机的转速也更高，转矩也更高，这个规律通用于所有电机。例如：2212-850KV 电 机，在 11V 的情况下可以带动 1045 桨，如果将电压 上升一倍，其转速也提高一倍，如果此时负载 仍然是 1045 桨，那该电 机将很快因 为电 流和温度的急剧上升而烧毁。d、最大电流和最大功率最大电流：电机能够承受并安全工作的最大电流最大功率：电机能够承受并安全工作的最大功率功率=电压*电流每个电机都有自己的力量上限，最大功率就是这个上限，如果工作情况超过了这个最大功率，就会导致电机高温烧毁。当然，这个最

14、 大功率也是指定了工作电压情况下得出的，如果是在更高的工作电压下，合理的最大功率也将提高。这是因为：Q=I，导体的发 热与电流的平方是正比关系，在更高的电压下，如果是同样的功率，电流将下降导致发热减少，使得最大功率增加。这也解释了为什么在专业的航拍飞行器上，大量使用 22.2V 甚至 30V 电池来驱动多轴飞行器，高压下的无刷电机，电流小、发热小、 效率更高。总上所诉，多旋翼飞行器上适用于无刷直流外转子盘式电机，外转子扭力大，可以搭配大尺寸桨叶，增大其升力，提高其负载。同时 选择低 KV 值电机，相同电压下转速低，相应的所需电流减小，耗电量减小，增加续航时间。9102.2 锂电 池简介2.2.

15、1 无人机电池的选择无人机由于要克服重力实现高空飞行进行作业，所以其对重量的要求极其苛刻。作为动力的电池其必要的一点就是其要能力密度要高。能量密度指的是电池所含能量与电池重量之比，其值越大越好。目前来说 LI-Po(锂聚合物电池)最符合要求。2.2.2 锂聚合物电池基本参数 电压 ：通常有 3.6V 锂离子电池，3.7V 锂聚合物电池 他们在%电压 方面的%充电和使用基本上可以归为 一类，标准放电平台都是3.0V4.2V 也就是安全电压。安全电压也成为放电截至电压，电池放电后的电压不能低于安全电压，如果放电后电压低于安全电压，也就是电池过放，会导致电池 内部结构不可逆转的破坏，造成电池性能大幅

16、度的下降。容量：通常有 mAh Ah 等。这是一个复合型单位，mA,A 代表的是电流 1000MA=1A （A:安培 amper） H 当然就是时间 （H:Hour，小时）这些都是英文的简写。例如 一块电池如果是 1000mAh 的那么就代表该电池在 1 小时放完自身所有电量的情况下（从 4.2V2.0V） (V:volt 伏特)能够达到1000mA 的平均电流。或者简单一些可以理解为能够以 1000mA 的电流放电持续1 小时。1000MAH 可以换算为 1Ah， 这里大家存在一个误区，可能简单的认为 我们以 2000mAh 的电流放这块电池那么这块电池的放电时间就可以坚持半小时。这样说不能 说是错误的 但至少是不严谨的。因为随着电流的增加电池的内阻不变的情况下，产生的热量在不断的增加，并且电池的内阻越是大电 流的情况下体现的越明显，因为外部电路的电阻随着放电电流的增加必然减少而电池内阻不变的情况下必然导致效率降低发热增