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1、无人机驾驶员航空知识手册无人机驾驶员航空知识手册培训教材培训教材多旋翼多旋翼简介 多旋翼，依靠多个（多于3个）旋翼产生升力，并依靠旋翼控制的飞行器。简介多旋翼在无人机市场的地位。简介简介多旋翼与直升机的相同与不同之处1）均靠旋翼产生升力2）直升机靠自动倾斜器控制桨叶周期变距调整姿态，旋翼转速恒定。 多旋翼靠不同方位的旋翼转速变化调整不同方位的升力改变姿态。3）多旋翼靠成对电机反转实现平衡扭矩。4）无人直升机的控制对象主要是舵机，多旋翼控制对象主要是电机、电调。简介四旋翼飞行器四旋翼飞行器l四旋翼飞行器的概念：四旋翼飞行器的概念：四旋翼飞行器的概念：四旋翼飞行器的概念： 四旋翼飞行器就是一种具有
2、四个螺旋桨的飞行器并且四个螺四旋翼飞行器就是一种具有四个螺旋桨的飞行器并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构，相对的四旋翼具有相同的旋转方向，分两旋桨呈十字形交叉结构，相对的四旋翼具有相同的旋转方向，分两组，两组的旋转方向不同。飞行器也通过控制这两组螺旋桨的转速组，两组的旋转方向不同。飞行器也通过控制这两组螺旋桨的转速与转向产生不同的升力实现上下前后左右的六个方向飞行的航模模与转向产生不同的升力实现上下前后左右的六个方向飞行的航模模型。型。l四旋翼飞行器的组成：四旋翼飞行器的组成：四旋翼飞行器的组成：四旋翼飞行器的组成：l l电机电机 l l电调电调l l螺旋桨螺旋桨l l飞控板飞控板l l锂电池锂电
3、池l l遥控器（六通控制）遥控器（六通控制）l l一个四轴机架一个四轴机架l l基本线路连接基本线路连接l四旋翼飞行器的结构形式：四旋翼飞行器的结构形式：四旋翼飞行器的结构形式：四旋翼飞行器的结构形式： 四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，四个旋翼处于同一高度平面，且，且四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼 1 1和旋翼和旋翼 3 3逆时针旋转，旋翼逆时针旋转，旋翼 2 2和旋翼和旋翼 4 4顺时针旋转，四个
4、电机对称的安装在飞行器的支架端，支架顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。四旋翼飞行器的结构形式中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。四旋翼飞行器的结构形式如图所示：如图所示：四旋翼飞行器四旋翼飞行器l l四旋翼飞行器的飞行原理：四旋翼飞行器的飞行原理：四旋翼飞行器的飞行原理：四旋翼飞行器的飞行原理： 四旋翼飞行器是通过调节四个电机转速来改变旋翼四旋翼飞行器是通过调节四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由转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致于飞行
5、器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力部稳定，所以需要一种其动力部稳定，所以需要一种能够长期保稳定的控制方法能够长期保稳定的控制方法。四旋翼飞行器是一种四旋翼飞行器是一种六自由度六自由度的垂直升降机，因此非常适的垂直升降机，因此非常适合合静态和准静态条件静态和准静态条件下飞行。下飞行。但是四旋翼飞行器只有四个但是四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统系统。 与传统的直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个与传统的直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，
6、因此旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当当电机电机 1 1和电机和电机 3 3逆时针旋转逆时针旋转的的同时同时，电机电机 2 2和电机和电机 4 4顺时顺时针旋转针旋转，可以，可以平衡旋翼对机身的反扭矩平衡旋翼对机身的反扭矩。 四旋翼飞行器四旋翼飞行器 四旋翼飞行器在空间共有四旋翼飞行器在空间共有 6 6个自由度（分别沿个自由度（分别沿 3 3个坐标轴作个坐标轴作平移和旋转动作），这平移和旋转动作），这 6 6 个自由度的控制都可以通过调节不同个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。基本运动状态分别是：电机的转速来实现。基本运动状态分别是： 垂直运动垂直运动 俯仰运动
7、俯仰运动 滚转运动滚转运动 偏航运动偏航运动 前后运动和侧向运动前后运动和侧向运动四旋翼飞行器四旋翼飞行器垂直运动：垂直运动：垂直运动：垂直运动： 在图（在图（a a）中，因有）中，因有两对电机转向相反两对电机转向相反，可以平衡其对，可以平衡其对机身的机身的反扭矩反扭矩，当，当同时增加同时增加四个电机的输出功率，旋翼转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垂直上升；反之，时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小同时减小四个四个电机的输出功率，四旋翼飞行器电机的输出功率，四旋翼飞行
8、器 则垂直下降，直至平衡落则垂直下降，直至平衡落 地，地，实现了沿实现了沿 z z轴的垂直轴的垂直 运动运动，当外界扰动量为零当外界扰动量为零 时，在旋翼产生的升力等时，在旋翼产生的升力等 于飞行器的自重时，飞行于飞行器的自重时，飞行 器便保持悬停状态器便保持悬停状态。保证。保证 四个旋翼转速同步增加或四个旋翼转速同步增加或 减小是垂直运动的关键。减小是垂直运动的关键。 四旋翼飞行器四旋翼飞行器俯仰运动：俯仰运动：俯仰运动：俯仰运动： 在图（在图（b b）中，）中，电机电机 1 1的转速上升，电机的转速上升，电机 3 3 转速下降，电转速下降，电机机 2 2、电机、电机 4 4 的转速保持不变
9、。的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼旋翼1 1与旋翼与旋翼 3 3转速改变转速改变量的大小应相等量的大小应相等。由于旋翼。由于旋翼1 1 的升的升 力上升，旋翼力上升，旋翼 3 3 的升力下降，的升力下降， 产生的不平衡力矩使机身产生的不平衡力矩使机身绕绕 y y 轴旋转轴旋转（方向如图所示），（方向如图所示）， 同理，当电机同理，当电机 1 1 的转速下降，的转速下降， 电机电机 3 3的转速上升，机身便绕的转速上升，机身便绕 y y轴向另一个方向旋转，实现轴向另一个方向旋转，实现
10、飞行器的俯仰运动。也就是说飞行器的俯仰运动。也就是说 通过这实现了四轴飞行器的翻通过这实现了四轴飞行器的翻 转。转。四旋翼飞行器四旋翼飞行器滚转运动：滚转运动：滚转运动：滚转运动： 滚转运动与俯仰运动一样，同样是为了实现四轴滚转运动与俯仰运动一样，同样是为了实现四轴飞行器的翻转。只不过俯仰运动改变的是飞行器的翻转。只不过俯仰运动改变的是电机电机1 1 、3 3的转速，保持电机的转速，保持电机2 2、4 4的转速不变，的转速不变，使得四轴飞行器使得四轴飞行器绕绕y y轴进行旋转轴进行旋转。而滚转运动则是。而滚转运动则是改变电机改变电机2 2、4 4的转的转速，保持电机速，保持电机1 1、3 3转
11、速不变转速不变，使四轴飞行器绕使四轴飞行器绕x x轴进轴进行旋转行旋转。原理如图（。原理如图（c c）示：）示： 四旋翼飞行器四旋翼飞行器 偏航运动：偏航运动：偏航运动：偏航运动： 四旋翼飞行器偏航运动可以四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程。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，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，可使四个旋翼中的可使四个旋翼中的两个正转，两个反转两个正转，两个反转，且对角线上的旋翼转动方向相同，且对角线上的旋翼转动方向相同。 反扭矩的大小与旋翼转速
12、有关反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速同时，四个旋翼产生的反当四个电机转速同时，四个旋翼产生的反 扭扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四平衡的反扭矩会引起四 旋翼飞行器转动。旋翼飞行器转动。在图在图d d中，当电机中，当电机 1 1和电机和电机3 3 的转的转速上升，电机速上升，电机 2 2 和电机和电机 4 4 的转速下降时，旋翼的转速下降时，旋翼 1 1和旋翼和旋翼3 3对机身对机身 的反扭矩大的反扭矩大于旋翼于旋翼2 2旋翼旋翼4 4对机身的反扭矩，对机身的反扭矩
13、， 机身便在富余反扭机身便在富余反扭 矩的作矩的作 用下用下绕绕 z z轴转动，轴转动， 实现飞行器的偏航运动，实现飞行器的偏航运动， 转向与电机转向与电机 1 1、电机、电机3 3的的 转向相转向相 反。原理如图反。原理如图 （d d）示：）示： 四旋翼飞行器四旋翼飞行器前后运动与侧向运动：前后运动与侧向运动：前后运动与侧向运动：前后运动与侧向运动： 要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平电机水平电机转速不变转速不变，反扭矩仍然要保持平衡反扭矩仍然要保持平衡。按图。按图 b b的面内对飞行器施的面内对飞行器施加一定的力。在图加一定
14、的力。在图 e e中，中，增加电机增加电机 3 3转速，使拉力增大，相应转速，使拉力增大，相应减小电机减小电机 1 1转速，转速， 使拉力减小使拉力减小，同时保持其它两个，飞行器首，同时保持其它两个，飞行器首先先发生一定程度的倾斜发生一定程度的倾斜，从而使，从而使 旋翼拉力产生水平分量，因此旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反；可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反；四旋翼飞行器四旋翼飞行器同理，根据四轴飞行器前后运动的工作原理，将飞行器同理，根据四轴飞行器前后运动的工作原理，将飞行器x x、y y轴上的电机的工作状态进行互换便可以实现飞
15、行器轴上的电机的工作状态进行互换便可以实现飞行器侧向运动，原理图如图（侧向运动，原理图如图（f f）所示。）所示。四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器多旋翼主多旋翼主要参数要参数总体参数，是总体方案的设计变量，对方案有着决定性的影响。主要包括主要包括：多旋翼：多旋翼总重G、桨盘载荷p、功率载荷q、旋翼实度 和桨尖速度R等 1 1）桨盘载荷）桨盘载荷p旋翼的拉力（近似等于G）与旋翼桨盘面积之比2 2）功率载荷）功率载荷qP和q值可定义为：由（3）和（4）得到：图4-1 桨盘载荷对功率载荷的影响其中：（5）（6）四旋翼飞行器四旋翼飞行器3 3）旋翼实度）旋翼实度对于矩形桨叶4 4）桨尖
16、速度）桨尖速度R R确定后，桨尖速度决定旋翼轴转速n（7）四旋翼飞行器四旋翼飞行器p电机：电机：电机：电机： 电机也就是马达，可以说电机是四旋翼飞行器的基础配件之电机也就是马达，可以说电机是四旋翼飞行器的基础配件之一。电机分为有刷和无刷两种，在四轴飞行器中无刷是主流，一。电机分为有刷和无刷两种，在四轴飞行器中无刷是主流， 不管什么牌子的电机，不管什么牌子的电机，具体都要对应具体都要对应4 4位这类数字位这类数字如如22221212电电机什么的机什么的，其中前面，其中前面2 2位是位是电机转子的直径电机转子的直径，后面，后面2 2位是位是电机转电机转子的高度子的高度。简单来说简单来说，前面前面2
17、 2位越大，电机越肥，后面位越大，电机越肥，后面2 2位越大，位越大，电机越高。电机越高。 另外，另外，每个无刷电机都会标准多少每个无刷电机都会标准多少 kv kv值值，这个，这个kvkv是是外加外加1v1v电压对应的每分电压对应的每分 钟空转转速钟空转转速，例如：，例如：1000kv1000kv电机，外加电机，外加 1v 1v电压，电机空转时每分钟转电压，电机空转时每分钟转100100加加2v2v电电 压，电机空转就压，电机空转就20002000转了。转了。四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋
18、翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器p电调：电调：电调：电调： 电调都会标上多少电调都会标上多少A A，如，如20a20a电调就是电子调速器。电调就是电子调速器。电电调的作用就是将调的作用就是将飞控板的控制信号，转变为电流的大小，飞控板的控制信号，转变为电流的大小，以控制电机的转速以控制电机的转速，因为电机的电流是很大的，通常每个因为电机的电流是很大的，通常每个电机同时正常工作时，如果没有电调的存在，飞控板根本电机同时正常工作时，如果没有电调的存在，飞控板根本无法承受这样大的电流（另外也没驱动无刷电机的功能）。无法承受这样大的电流（另外也没驱动无刷电机的功能）。同时电调在四轴当中还充当了同时电调在
19、四轴当中还充当了电压变化器电压变化器的作用，将电压的作用，将电压变为变为5v5v为飞控板和遥控器供电，为飞控板和遥控器供电，40a40a这个数字就是这个数字就是电调能电调能够提供的电流够提供的电流。大电流的电调可以兼容用在小电。大电流的电调可以兼容用在小电 流的地方。小电流电调不能超标使用。流的地方。小电流电调不能超标使用。 四旋翼飞行器四旋翼飞行器对于航模用的无刷直流电机，转速精度要求并不很高，使用开环控制方式就可满足要求。外转子电机内部构造无刷电机拆解AB通电AC通电四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器霍耳效应器件，霍耳效应测量器件可以根据转子不同位置时
20、的不同磁场方向分布情况输出位置信号，一般在电机的不同位置上装三个霍尔传感器，就可测出转子的位置。这就是所谓的“有感无刷电机的驱动”。“无感”测量方式。利用第三相的感生电动势。无感驱动方式的优点在于省略了三个霍尔传感器，整套系统分量更轻，结构更简单。其缺点在于启动比较麻烦，启动的时候可控性较差，要达到一定转速后才变得可控。四旋翼飞行器四旋翼飞行器p螺旋桨：螺旋桨：螺旋桨：螺旋桨： 螺旋桨一般有两叶和三叶两种类型螺旋桨一般有两叶和三叶两种类型 同电机类似，桨同电机类似，桨的型号也有的型号也有10X810X8这些数字，这些数字，前面代表桨前面代表桨的直径的直径, ,后面后面2 2位是桨的角度位是桨的
21、角度( (桨距桨距) )。 另外，另外，四轴飞行为了抵消螺旋桨的自旋，相隔的四轴飞行为了抵消螺旋桨的自旋，相隔的 桨旋转桨旋转方向是不一样的，方向是不一样的，所以需要正反桨。正反桨的风都向下吹。所以需要正反桨。正反桨的风都向下吹。适合顺时针旋转的叫正浆、适合逆时针旋转的是反浆。适合顺时针旋转的叫正浆、适合逆时针旋转的是反浆。正反正反桨需要精确配平。桨需要精确配平。四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器螺旋桨的参数： 直径、螺距、桨叶扭转分布、桨叶弦长分布、桨叶实度、桨叶翼型。直径：D螺距：螺旋桨旋转一周，劈开空气旋转的距离H，一般定义70%或75%处为名义螺距桨距测量：phy7=at
22、an（H/Pi/D/0.7）螺距表征了螺旋桨旋转一周带动空气前进的名义距离，螺距越大，越适应高速前飞。桨叶桨毂桨尖桨根后缘前缘四旋翼飞行器四旋翼飞行器 桨叶的平面形状很多，使用较多的有三种：四旋翼飞行器四旋翼飞行器Rr螺旋桨直径 D螺旋桨半径 R剖面半径 r相对半径 r/R桨弦 b四旋翼飞行器四旋翼飞行器桨弦相对气流旋转面桨叶角 ：桨弦和旋转面之间的夹角桨叶迎角 ：桨弦和入流（即相对气流）之间的夹角入流角 ：入流和旋转面之间的夹角四旋翼飞行器四旋翼飞行器第三章第三章 第第 页页4343 飞行中，螺旋桨是一面旋转一面前进的。螺旋桨剖面具有两个速度：一个是前进速度v,一个是圆周速度（切向速度）u。
23、 右图为桨叶切面上某一点的运动轨迹四旋翼飞行器四旋翼飞行器pp飞控板：飞控板：飞控板：飞控板： 飞控板就是飞行器的大脑，飞控板就是飞行器的大脑，如果没有飞控板，四轴飞行器就如果没有飞控板，四轴飞行器就会因为安装、外界干扰、零件之间的不一致型等原因形成飞行会因为安装、外界干扰、零件之间的不一致型等原因形成飞行力量不平衡，后果就是左右、上下的胡乱翻滚，根本无法飞行，力量不平衡，后果就是左右、上下的胡乱翻滚，根本无法飞行，飞控板的作用就是通过飞控板上的陀螺仪，对四轴飞行状态进飞控板的作用就是通过飞控板上的陀螺仪，对四轴飞行状态进行快速调整行快速调整，如发现右边力量大，向左倾斜，那么就减弱右边，如发现
24、右边力量大，向左倾斜，那么就减弱右边电流输出，电机变慢，升力变小，自然就不再向左倾斜。电流输出，电机变慢，升力变小，自然就不再向左倾斜。四旋翼飞行器四旋翼飞行器APM四旋翼飞行器四旋翼飞行器 pp遥控器：遥控器：遥控器：遥控器：通道数：通道数：通道数：通道数：遥控器控制的动作路数，比如遥控器只能控制四轴上下飞，遥控器控制的动作路数，比如遥控器只能控制四轴上下飞，那么就是那么就是1 1个通道。但四轴在控制过程中需要控制的动作路数有：个通道。但四轴在控制过程中需要控制的动作路数有：上下、左右、前后、旋转所以最低得上下、左右、前后、旋转所以最低得4 4通道遥控器。通道遥控器。 美国手美国手美国手美国
25、手/ /日本手：日本手：日本手：日本手：大多数遥控器都会有美国手（左手控制油门）大多数遥控器都会有美国手（左手控制油门） 和日本手（右手控制油门）之分。和日本手（右手控制油门）之分。 四旋翼飞行器四旋翼飞行器 pp电池：电池：电池：电池： 考虑到四旋翼飞行器质轻高飞的特点，所以在选用电池时往往选择考虑到四旋翼飞行器质轻高飞的特点，所以在选用电池时往往选择锂电池，锂电池，因为因为同样电池容量锂电最轻，起飞效率最高同样电池容量锂电最轻，起飞效率最高。 另外，另外，电池的电池的多少多少mahmah表示电池容量表示电池容量，如，如1000mah1000mah电池，如果以电池，如果以1000ma1000
26、ma放电，可持续放电放电，可持续放电1 1小时。如果以小时。如果以500mh500mh放电，可以持续放电放电，可以持续放电2 2小时小时；电池后面的电池后面的2s2s，3s3s，4s4s代表锂电池的节数代表锂电池的节数（锂电池锂电池1 1节标准电压节标准电压为为3.7v3.7v）；）；电池后面电池后面多少多少c c代表电池放电能力代表电池放电能力，这是普通锂电池和动力，这是普通锂电池和动力锂电池最重要区别，动力锂电池需要很大电流放电，这个放电能力就是锂电池最重要区别，动力锂电池需要很大电流放电，这个放电能力就是C C来表示的。如来表示的。如1000mah1000mah电池电池 标准为标准为5c
27、5c，那么用，那么用5x1000mah5x1000mah，得出电，得出电池可以以池可以以5000mh5000mh的电流强度放电。这很重要，如果用低的电流强度放电。这很重要，如果用低c c的电池，大电的电池，大电流放电，电池会迅速损坏，甚至自燃。流放电，电池会迅速损坏，甚至自燃。四旋翼飞行器四旋翼飞行器单体电压：标称3.7，满充4.2v，放电保护电压：3v容量：蓄电池的总能量=电压X容量放电倍率：以多少倍容量电流放电最大放电电流=容量X放电倍率充电倍率：以多少倍容量电流充电能量密度：总能量/总重量四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器pp四轴机架：四轴机架：四轴
28、机架：四轴机架： 四轴飞行器的机架，必须要符合飞行器的结构基础，能够四轴飞行器的机架，必须要符合飞行器的结构基础，能够保持对称稳定性。保持对称稳定性。 另外需要注意的是四根轴架的另外需要注意的是四根轴架的尺寸长度尺寸长度，保证，保证4 4个螺旋桨不打个螺旋桨不打架就可以了，架就可以了，但要考虑到螺旋桨之间因为旋转产生的乱流互相影但要考虑到螺旋桨之间因为旋转产生的乱流互相影响，建议还是不要太近，否则影响效率响，建议还是不要太近，否则影响效率。 这也是为什么四轴用这也是为什么四轴用2 2叶螺旋桨比用叶螺旋桨比用3 3叶螺旋桨多的原因之一（叶螺旋桨多的原因之一（3 3叶的还有个缺点，平衡叶的还有个缺点，平衡不好做）不好做）。四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器四旋翼飞行器德国MD4-1000四旋翼四旋翼飞行器四旋翼飞行器德国MD4-1000四旋翼四旋翼飞行器四旋翼飞行器德国MD4-1000四旋翼桨叶直径约700mm。悬停效率，18g/W四旋翼飞行器四旋翼飞行器德国MD4-1000四旋翼桨叶直径约700mm,转速14001600rpm。悬停效率，18g/W四旋翼飞行器四旋翼飞行器旋翼+变距改善电动机操纵延迟特性，使用油机系留式多旋翼
