多旋翼理论.ppt

无人飞行器概述 用途 平台类型 CONTENTS 重量 无人飞行器的分类 民用无人机可分为航拍影视类无人飞行器 巡查 监视无人飞行器 农用无人飞行器 气象无人飞行器 勘探无人飞行器以及测绘无人飞行器等 民用 军用 军用无人机可分为侦察无人机 诱饵无人机 电子对抗无人机 攻击无人机 战斗无人机等 小型 小于等于5700KG大型 大于5700KG 按重量分 微型 小于等于7KG轻型 大于7KG 小于等于160kg 固定翼飞行器 是飞机机翼相对固定无需旋转 靠经过机翼的气流提供升力的飞行器类型 也是世界上保有量最大的载人飞行器 固定翼飞行器是自稳定系统 也是完整驱动系统 它在任何状态下都可以自由调整姿态 并且能够保持住当前状态 固定翼飞行器的优点是在三类飞行器里续航时间最长 飞行效率最高 载荷最大 飞行稳定性高 缺点是起飞的时候必须要助跑或者借助器械弹射 降落的时候必须要滑行或者是利用降落伞降落 固定翼 按平台类型 直升机 直升机飞行器是由一个或者两个主旋翼提供升力的垂直起降型飞行器 是不稳定系统 升空之后如果不施加控制 飞行器无法保持飞行稳定 从飞行控制来讲直升机属于完整驱动系统 可以自由调整姿态 直升机飞行器的特点是可垂直起降 无需跑道 地形适应能力强 缺点是机械结构复杂 维护成本高 续航及速度都低于固定翼飞行器 多旋翼飞行器是指拥有三个或者更多旋翼的直升机类飞行器 能够垂直起降 属于直升机飞行器的一种 一般称之为多旋翼飞行器 多旋翼飞行器属于不稳定系统 其在飞行及悬停过程中无法实现自稳定 同时 多旋翼飞行器也不是完整驱动系统 所以多旋翼飞行器自身的稳定性在三种主要的飞行器当中是最低的 其正常的飞行必须借助自稳定系统的辅助 多旋翼飞行器的特点是能够实现垂直起降 并且自身机械结构简单 无机械磨损 缺点是其续航及载重在三种飞行器当中是最低的 多旋翼 多旋翼飞行器的发展 2005年初步出现的多旋翼飞行器往往还是以玩具的形式出现在市场 无法承担更多实际的作用 随着深圳市大疆创新科技有限公司不断推出更简单实用的新型多旋翼飞行器 多旋翼飞行器市场在2013后迅速爆发 发展至今 多旋翼无人飞行器已经广泛应用在航拍 影视 农业 电力等方方面面改变着人们的生活 综合比较 续航和载重 可靠性 操作难易 固定翼 直升机 多旋翼 多旋翼 直升机 固定翼 多旋翼 固定翼 直升机 起降便利 多旋翼 直升机 固定翼 多旋翼飞行器布局原理 X型多旋翼飞行器作为多旋翼中最基础也是最常见的气动布局 由于其优异的性能与简单的结构 深受众多多旋翼爱好者的喜爱 x型的6旋翼 8旋翼具有x型4旋翼的特性的同时 还拥有比4旋翼更好的结构效率 承载重量以及冗余度等性质 深受航拍 影视行业用户青睐 十型多旋翼最早出现的一种多旋翼气动布局之一 因其气动布局简单 便于简化飞控算法的开发 但由于其构造 导致飞行器航拍时前行会导致正前方螺旋桨进入画面造成不便 随着飞控系统的进化 逐渐被X型多旋翼布局取代 x型的6旋翼 8旋翼具有x型4旋翼的特性的同时 还拥有比4旋翼更好的结构效率 承载重量以及冗余度等性质 深受航拍 影视行业用户青睐 x型的6旋翼 8旋翼具有x型4旋翼的特性的同时 还拥有比4旋翼更好的结构效率 承载重量以及冗余度等性质 深受航拍 影视行业用户青睐 多旋翼飞行器的H气动布局与X型机架气动布局相似 但优点在于通常被设计为折叠结构 故同时拥有X型布局的优点 且容易折叠 体积较小 因此受到广泛的青睐 四旋翼是结构简单 飞行效率相对高效的一种常见多旋翼结构 也是目前市场上保有量最大的多旋翼飞行器类型 四旋翼玩具 小型航拍机一般都选用该结构 但是要注意的是 四旋翼没有动力冗余 任何一个电机出现问题停转 飞行器都将无法控制而摔机 理论上桨叶越大气动效率越高 从这个角度中大型多旋翼飞行器也应采用四轴设计 但是因为四旋翼没有动力冗余 而六旋翼的设计实现了动力冗余 六旋翼在出现一个电机停转的情况下依然可将飞行器安全降落 所以在中大型轴距的多旋翼飞行器多采用六轴结构 更大型的多旋翼飞行器可能会采用更多轴数的设计 例如8轴 16轴 甚至还有更高轴数的设计 这里就不一一进行累述 多旋翼飞行器的飞行原理 以四旋翼飞行器为例 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 因此飞行器平衡飞行时 陀螺效应和空气动力扭矩效应全被抵消 陀螺效应 就是物体转动时的离心力会使自身保持平衡 空气动力扭矩效应是气动面的反向作用力 螺旋桨会对机身产生反向力 多旋翼飞行器是通过调节多个电机转速来改变螺旋桨转速 实现升力的变化 进而达到控制飞行姿态的目的 多旋翼飞行器的控制 一般情况下 多旋翼飞行器可以通过调节不同电机的转速来实现4个方向上的运动 分别为 垂直 俯仰 横滚和偏航 多旋翼飞行器的基本控制操作 目前主要有两种操作方式比较常用 分别是美国手与日本手 美国手左边的是偏航与油门 右边是横滚与俯仰 日本手左边是偏航与俯仰 右边是横滚与油门 多旋翼飞行器的系统构成 多旋翼无人飞行器系统 飞行器平台 机架 飞控系统 动力系统 任务设备 显示系统 控制系统 通讯链路天空端 通讯链路地面端共同构成 飞行器平台 整个机身 它提供了飞行器的基本框架 装载各种设备 电池乃至其他机身配件 动力系统 电机 电子调速器 螺旋桨 电池 充电器共同构成 为整个飞行器提供飞行的动力 任务设备 多旋翼无人机实施具体功能的载体 在不同作用的飞行器上其任务设备也明显不同 控制系统 由显示系统 操作系统构成在显示系统里 通讯设备将飞行器的高度 速度 电量 姿态 位置等各种丰富的信息传达到地面 地面操作人员就可以根据显示系统提供的信息对飞行器进行操纵 而在操作系统里 作业人员能够通过操作设备将控制意图传达到多旋翼无人机 实施相应的飞行及操作 通讯链路 则由地面端与天空端共同构成 正是由于通讯链路的存在 才能实现飞行器信息的实时回传 以及地面人员对飞行器的实时操纵 飞行器平台 也就是多旋翼的主要支撑结构 主要是由碳纤维和工程塑料制成 多选用材质轻和强度大的材料 动力系统 多旋翼飞行器的动力系统由电机 电调 电池 螺旋桨等构成 电机 主要参数工作电压 无刷电机使用的工作电压较宽 当整机系统电压高于额定工作电压时 电机会处于超负荷 会造成电机烧毁 KV值 的概念是指无刷电机工作电压每提升1V无刷电机所增加的转速 KV值X电压 空载转速 每分钟 最大功率 电机能够安全工作的最大功率 电机的功率反应了其对外的输出能力 功率越大的电机其输出能力也更强 电压 电流 功率 W 无刷电调 电调全称电子调速器 英文electronicspeedcontroller 简称ESC 在整个飞行系统中 电调的作用主要包括1 调节电机转速 2 控制电机运转 3 提供BEC供电 部分没有这个功能 螺旋桨 螺旋桨将电机的旋转功率转变为飞行器的动力 是整个动力系统的最终执行部件 螺旋桨性能优劣对于飞行器的飞行效率产生十分重要的影响 直接影响了飞行器的续航时间 对于螺旋桨 一般也会简称为桨叶 主要参数 长度 螺距 动平衡 材质 电池 锂聚合物电池 英文LI polymer 简称LIPO 是一种能量密度高 放电电流大的新型电池 主要参数 1 电压放电截止电压2 75V充电截止电压4 20V标准电压3 7V储存电压3 85V2 S数 S是指电池的串联数量 3 P数 P是指该电池并联的数量4 内阻 内阻越小的电池放电能力越强 内阻越大的电池放电能力越弱 5 C数 是放电倍率 放电倍率越大 电池放电电压下降的越快 放电倍率越小 则反之 放电倍率越大 放出的电量越少 其数字大小决定了电池的最大放电电流 公式为 容量X放电倍率 最大放电电流 6 容量 电池的容量用Mah或者Ah来表示 是指电池以某个电流持续放电1小时所放出的电量 充电器 主要参数 输入电压 充电输出功率 充电输出电流 放电电流 充电方式 充电效率 飞行控制系统 飞行控制系统一般主要由主控单元 IMU 惯性测量单元 GPS指南针模块 LED指示灯模块 PMU 电源管理模块 IOSD数据记忆模块等部件组成 主控 通过高效的控制算法内核 能够精准地感应并计算出飞行器的飞行姿态等数据 再通过主控制单元实现精准定位悬停和自主平稳飞行 主控是整个飞行控制系统的核心 通过它将IMU GPS指南针 舵机和遥控接收机等设备接入飞行控制系统从而实现飞行器的所有功能 主控的功能复杂多样 不同的飞控类型拥有不同的功能 IMU 包含3轴加速度计 3轴角速度计和气压高度计 是高精度地感应飞行器姿态 角度 速度和高度的元器件集合体 在飞行辅助功能中充当极其重要的角色 提供数据 角速度 加速度 高度 GPS磁罗盘模块 包含GPS模块和磁罗盘Compass模块 用于精确确定飞行器的方向及经纬度 对于失控保护自动返航 精准定位悬停等功能的实现至关重要 提供数据 GPS数据 相对方向 飞控系统的辅助性设备 LED指示灯模块 PMU电源管理模块 IOSD类似民航客机的黑匣子 可以记录飞行数据 以方便对数据进行分析 控制系统 无人机地面站也称控制站 在规模较大的无人机系统中 可以有若干个控制站 这些不同功能的控制站通过通信设备连接起来 构成无人机地面站系统 通讯链路 链路通讯系统主要用于多旋翼飞行器系统传输控制和载荷通讯的无线电链路 是飞行器与地面操纵人员之间沟通的桥梁 通讯链路的主要构成包括地面端与天空端 地面端需要将控制信号以及任务指令发到飞行器 天空端 飞行器则需将飞行器的状态以及任务设备的状态发送到地面端 通讯链路设备 遥控器与接收机是共同构成遥控控制链路的基本组成 遥控器也被称为发射机 负责将操作人员的操作动作转换为控制信号并发射 接收机则负责将遥控信号接收 图传设备是将飞行器所拍摄到的视频传送到地面的设备 大疆Lightbridge2是一款广播级一体化航拍图传 配备SDI接口 集成遥控器 采用先进的无线链路动态适应技术 实现了远距离 低延时传输 多旋翼飞行器的作业规范 多旋翼无人飞行器飞行注意事项 影响多旋翼飞行器飞行的气象因素 影响多旋翼飞行器飞行的信号因素 任何一个飞行器的正常飞行都离不开它所在的整体环境 接下来会从气象因素 地磁以及GPS因素 地面环境因素等方面进行分析 来讲解一下无人机的飞行安全问题 风1 乱流 主要是气体在流经空建筑 树木 特定地形时会产生方向迅速变化不稳定的气流 当这些气流速度很快就会对飞行器产生影响 2 风向 顺风和逆风对飞行器的飞行效率会有影响 有较大向风时要注意起降的安全 3 风切变 风切变是低空无人机主要的危险 尽量注意不要在强对流天气飞行 影响多旋翼飞行器飞行的气象因素 温度温度对飞行器的影响主要包括对电池放电性能的影响 空气密度的变化 以及较大的温差会凝结成水汽从而影响飞行器的状态 气温的高低 将影响螺旋桨的效率 气温较高时 大气密度小 螺旋桨拉力减小 多旋翼飞行器的最大载重和升限都稍有减小 反之其最大载重和升限都会有所增大 大的温度变化 主要是冬天从低温环境进入高温环境 会产生水汽凝结 严重时会对飞控等电子设备造成损坏 影响多旋翼飞行器飞行的气象因素 当湿度太大 有雾和雨 或能见度低的情况下不建议飞行 潮湿空气 雨和雾 有可能会造成电路短路等情况从而影响飞行器的正常工作 并且空气的粘度增大了 因此多旋翼飞行器快速转动的螺旋桨将受到更大的空气阻力 从而降低飞行效率 能见度距离短的飞行环境 将影响操作者对飞行距离的正确判断 容易导致超视距飞行 从而影响飞行安全 影响多旋翼飞行器飞行的气象因素 在飞控章节我们提交提到过 多旋翼飞行器在进行飞行控制时是需要依靠外部的地球磁场信号以及全球定位系统来进行导航 另外 多旋翼飞行器的遥控控制 图传信号的回传这些信号也都需要通过链路系统来进行传输所以多旋翼飞行器飞行的信号稳定很重要 影响多旋翼飞行器飞行的信号因素 磁罗盘校准的注意事项1 手机 钥匙等物本身属于铁磁性物质 所以在做磁罗盘校准时不应携带这类物品 2 室内进行校准与室外校准的差别地球磁场信号在室内部分实际上受建筑的影响是稍有别与实际的地磁信号 所以飞行器如果在室内校准了磁罗盘 在室外进行飞行时应重新进行校准 磁罗盘 指南针 由于磁罗盘所检测的是地球磁场信号 而地球磁场信号强度较为微弱 所以磁罗盘是多旋翼飞行器最容易受到干扰的电子元件之一 尽量避免在如大块金属之上 起飞点有大量铁质栅栏 磁铁矿脉之上 停车场中 桥洞之中 带有地下钢筋的建筑区域进行飞行 这些区域本身含有大量铁磁性物质 如飞行器与其距离过近 其自身附带的磁场信号将对飞行器的磁罗盘产生干扰 多旋翼飞行器闲置时间过长时 其内部磁罗盘信号有可能产生漂移 所以在较长时间闲置以后重新飞行应重新校准磁罗盘 影响多旋翼飞行器飞行的信号因素 GPS信号GPS信号是多旋翼飞行器进行定位悬停 航线飞行的基础 多旋翼飞行器如果GPS信号不佳将无法实现很多自动功能乃至不能实现定位悬停 GPS信号其原理乃是GPS接收机接收多颗微型发射的GPS信号并进行计算 在一定范围内 接收到的卫星数量越多其导航的精度也越高 影响多旋翼飞行器飞行的信号因素 影响多旋翼飞行器飞行的信号因素 1 飞行器与遥控器距离 影响多旋翼飞行器飞行的信号因素 2 有遮挡物 影响多旋翼飞行器飞行的信号因素 3 同频信号的干扰 多旋翼飞行器的图像传输以及遥控控制 主要是通过无线信道进行的 对于电磁环境的干扰 一定要避免在高压线 通讯基站或发射塔等区域飞行 以免遥控器信号受到干扰 影响多旋翼飞行器飞行的信号因素 4 地面因素 障碍物 现代城市 高楼拔地而起 数量日益增多 而且大多使用钢筋混凝土结构 多旋翼飞行器处于复杂的城市中飞行 值得特别注意的一点便是周围建筑群的高度 大量使用钢筋的建筑物会影响多旋翼飞行器指南针的工作状态 造成干扰 而且由于GPS信号的受遮挡 飞行器的定位效果将变差 更