《无人机系统概论》课件 模块二 飞行器平台系统（2.2无人机的动力系统）

无人机系统概论模块二

飞行器平台系统

本模块知识脉络2.2.1油动系统2.2无人机的动力系统

油动无人机采用的发动机包括活塞发动机和燃气涡轮发动机两大类，其中燃气涡轮发动机根据构造和原理的差异又分为涡喷发动机、涡扇发动机、涡桨发动机和涡轴发动机4类。1.活塞发动机

装有活塞发动机的无人机，它向前飞行的动力是由发动机带动螺旋桨（或者旋翼）产生的。（1）活塞发动机的基本名称（2）活塞发动机的工作行程

目前无人机上采用的多为四冲程活塞发动机，即每完成一个循环，活塞在上死点与下死点之间往返两次，会连续地移动4个行程，它们分别叫作进气行程、压缩行程、膨胀行程（又称做功行程）和排气行程。

进气行程的作用是使气缸内充满新鲜混合气体。进气行程开始时，活塞位于上死点，进气门打开，排气门关闭。活塞在曲轴的带动下，由上死点向下死点运动，气缸容积不断增大，新鲜混合气体被吸入气缸，曲轴转动半圈（180°），活塞到达下死点，进气门关闭，进气行程结束。

压缩行程的作用是对气缸内的新鲜混合气体进行压缩，为混合气体燃烧后膨胀做功创造条件。压缩行程开始时，活塞位于下死点，进、排气门关闭。活塞在曲轴的带动下，由下死点向上死点运动，气缸容积不断缩小，混合气体被压缩，气体的温度和压力不断升高。当曲轴旋转半圈、活塞到达上死点时，压缩行程结束。在理论上当压缩行程结束的一瞬间，电火花将混合气点燃并完全燃烧，放出热能，气体的压力和温度急剧升高。

膨胀行程的核心任务是将燃料的化学能有效转换为机械能。行程伊始，活塞位于上死点，进、排气门均关闭；燃烧后的高温高压燃气瞬间释放，推动活塞由上死点向下死点运动，燃气压力与体积同步变化：气缸容积逐渐增大，燃气压力与温度随之降低，热能持续转换为活塞的机械功。活塞抵达下死点时，曲轴恰好转过半圈，膨胀行程结束，燃气能量已大部分转换为对外输出的有效功，剩余燃气则成为即将排出的废气。

排气行程的核心任务是彻底清除缸内废气，为下一轮循环提供“干净”的工作容积。行程开始，活塞位于下死点，排气门提前开启，进气门保持关闭；缸内仍具余压的废气首先经历“自由排气”阶段，在压差作用下排出。随后活塞在曲轴带动下上行，进入“强制排气”阶段，以机械方式将残余废气继续推出气缸。当活塞抵达上死点、曲轴恰好转过半圈时，排气门关闭，行程结束。（3）活塞发动机的优缺点

活塞发动机结构简单、可靠性高、燃油经济性好、维护成本低，这些特点使其在无人机领域有着广泛的应用，尤其是在中低速、中低空的侦察、监视无人机以及长航时无人机，例如我国“彩虹-4”无人机采用的就是活塞发动机。

然而，活塞发动机在高速、高空或大载重无人机中的应用存在一定的局限性。这是因为活塞发动机的功重比（功率与重量的比）普遍小于燃气涡轮发动机，螺旋桨（旋翼）的噪声和振动问题也较为明显，且在高空飞行时功率会明显下降。因此，对于追求更高性能和更长航程的无人机，燃气涡轮发动机或其他先进动力系统可能是更好的选择。2.涡喷发动机

涡喷发动机主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。

涡喷发动机的热力循环遵循布雷顿循环的原理，如图2-32所示。这一循环包括4个主要过程：绝热压缩、等压加热、绝热膨胀和等压放热。在进气道和压气机中，空气完成绝热压缩过程（0-1-2）；随后在燃烧室中与燃料混合并燃烧，对应等压加热过程（2-3）；接着，高温高压的燃气在涡轮和尾喷管中完成绝热膨胀过程（3-4-5），最后排入大气，完成等压放热过程（5-0）。涡喷发动机的组成理想布雷顿循环3.涡扇发动机

涡扇发动机的结构与涡喷发动机的结构类似，也包括进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管。不同的是涡扇发动机在涡轮发动机的基础上增加了风扇和驱动风扇的低压涡轮。

下图所示是双转子涡扇发动机的结构组成，其中高压压气机、燃烧室和高压涡轮是涡扇发动机的核心机。4.涡桨发动机

涡桨发动机与涡喷发动机的不同之处在于涡轮轴除带动压气机外，还需通过减速器带动螺旋桨。涡桨发动机工作时，主要由螺旋桨产生拉力；此外，还由喷气的反作用而产生很小的推力。

如图，可以看出涡桨发动机涡轮分为燃气涡轮和自由涡轮（也称“动力涡轮”）。其中燃气涡轮是涡桨发动机的核心动力来源之一，负责将高温高压燃气的能量转换为机械功，以驱动压气机工作。自由涡轮则是涡桨发动机中直接输出功率的部件，其作用是将燃气发生器出口的燃气能量通过膨胀做功，转换为轴功率以驱动螺旋桨或其他负载。5.涡轴发动机

涡轴发动机与涡桨发动机在工作原理和构造上均源自涡轮风扇发动机。二者均保留核心机（高压压气机、燃烧室、高压涡轮），但将原本用于产生推力的外涵风扇改造成不同的功率输出装置，其中涡桨发动机的改为驱动螺旋桨，涡轴发动机的则改为驱动旋翼。2.2.2电动系统

电动系统是目前无人机应用最为广泛的动力系统，无人机电动系统由动力电池、电机、电子调速器和螺旋桨组成，化学能经电池转换为电能，再经电机转换为机械能，驱动螺旋桨产生推力实现飞行。1.动力电池

动力电池作为无人机电动系统的能量源，将储存的化学能按需转换为电能，为电机、飞控系统、图像传输系统（简称“图传”）等全机负载供电，并决定续航时间与瞬时功率上限。按照电池材料划分，动力电池分为锂金属电池、锂离子电池、锂聚合物电池、镍镉电池、燃料电池等。考虑到电池的重量和效率问题，无人机多采用锂聚合物电池（如下图）。（1）电池的技术参数

电池技术参数是评估电池性能和适用性的关键指标，主要包括容量、电压、充电电流、放电电流、充电终止电压、放电终止电压、工作温度、自放电率、循环寿命等。

容量是衡量电池性能的重要指标之一，它表示在特定条件下电池能够释放的电量，直接影响无人机的续航时间。通常情况下，电池容量以安培时（A·h）或毫安时（mA·h）为单位，其中

1A·h=1000mA·h

电压是指电池正负极之间的电势差，通常以伏特（V）为单位。它表示推动电荷通过电路的力，是衡量电池能量势能的重要参数。电压可以分为额定电压、开路电压和充电电压。额定电压也称为公称电压或标称电压，是指在规定条件下电池工作的标准电压，不同类型的电池具有不同的标准电压，例如锂离子电池的额定电压一般为3.7V，而铅酸电池的单体额定电压为2V。

电池的充电电流是指在给电池充电过程中，电流流入电池的速率，通常以安培（A）为单位。充电电流的大小直接影响电池的充电速度和充电效率，同时也对电池的寿命和安全性产生重要影响。选择合适的充电电流对于确保电池的安全和性能至关重要，充电电流不允许超过规定的最大充电电流，否则可能导致电池发热、电解液泄漏等问题。

电池放电电流是指在电池放电过程中所产生的电流，它是电池释放储存能量时的主要参数，通常以安培为单位。影响放电电流的因素包括电池的容量、内阻、放电速率和化学性质等。电池容量越大，提供的放电电流也越大。放电速率通常用C倍率来表示，C倍率是指电池额定容量与实际放电电流的比值。图中电池右下角标识的60C代表的就是该电池的最大持续放电倍率，60C意味着该电池在6000mA·h（6A·h）容量下，可持续输出6A·h×60h-1=360A的电流而不会损坏。

充电终止电压是指在充电过程中，电池电压达到不宜再继续充电的最高值。这一数值因电池类型、制造商规格和充电算法的不同而有所差异。例如，锂离子电池的充电终止电压通常为4.2V或4.35V，锂聚合物电池的充电终止电压一般为4.2V。

放电终止电压是指在放电过程中，电池电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压值。这一数值因电池类型、放电条件（如放电电流大小和环境温度）的不同而有所差异。例如，铅酸蓄电池的单体放电终止电压通常为1.8V，镍镉电池的放电终止电压一般在1.0～1.1V，锂离子电池的放电终止电压通常为2.75V，锂聚合物电池的放电终止电压通常设定在2.5～3.0V，具体数值可能因电池设计和应用场景的不同而有所差异。

自放电率是衡量电池储存性能的重要参数，它反映了电池在开路状态下储存的电量随着时间的推移而自然流失的速度。自放电率越低，电池在长时间不使用时保持电量的能力越强。

工作温度对电池性能、寿命和安全性有着重要影响。在高温环境下，电池的化学反应速率加快，这会导致电池容量下降、内阻增大，从而降低放电效率。此外，高温还会加速电池的老化过程，缩短其循环寿命。在极端情况下，电池可能会发生热失控，引发爆炸或火灾。在低温下，电池的离子运输能力下降，导致放电容量减小，充放电效率降低。

循环寿命是指电池在正常使用条件下，能够进行充放电循环的次数，直到其容量下降到额定容量的80%或以下。（2）常用电池类型

电池技术参数是评估电池性能和适用性的关键指标，主要包括容量、电压、充电电流、放电电流、充电终止电压、放电终止电压、工作温度、自放电率、循环寿命等。①锂电池

锂电池是一种以锂金属或锂化合物作为电极活性物质的电池，锂电池可以分为多种类型，包括锂金属电池、锂离子电池和锂聚合物电池等。锂金属电池通常不可充电，而锂离子电池和锂聚合电池则可以反复充电。

锂金属电池是一种以金属锂为负极的储能装置，其工作原理基于锂离子在正负极之间的迁移和氧化还原反应，如下图所示。在放电过程中，锂离子从负极（金属锂）迁移到正极，并与正极材料（如二氧化锰、硫等）发生反应，生成相应的锂化合物，同时释放电子供外部电路使用；而在充电过程中，锂离子则从正极迁回负极并沉积为金属锂。

锂离子电池的结构包括正极、负极、隔膜和电解液，其中正极通常由含锂的化合物（如钴酸锂、锰酸锂等）制成，负极由石墨等碳材料构成，电解液由锂盐和有机溶剂组成，隔膜则防止正负极直接接触，同时允许锂离子通过。锂离子电池的工作原理是基于锂离子在正负极之间的嵌入和脱嵌过程，如下图所示。在充电时，锂离子从正极材料中脱嵌，通过电解液迁移到负极，并嵌入负极的碳材料（如石墨）中，同时电子通过外部电路从正极流向负极；在放电时，锂离子从负极脱嵌，返回正极，电子则从负极流向正极，通过外部电路形成电流，可以用于为设备供电。

锂聚合物电池采用锂合金作正极，采用高分子导电材料如聚乙炔、聚苯胺等作负极，采用胶态或者固态聚合物作为电解质膜，如图所示。锂聚合物电池可以制成任何形状与容量，进而满足各种产品的需要。锂聚合物电池采用铝塑包装，内部出现问题可立即通过外包装表现出来，即便存在安全隐患，也不会爆炸，只会鼓胀。在锂聚合物电池中，电解质起隔膜和电解液的双重作用：一方面像隔膜一样隔离开正负极材料，使电池内部不发生自放电及短路；另一方面又像电解液一样在正负极之间传导锂离子。②镍镉电池

镍镉电池的工作原理基于正负极材料之间的氧化还原反应，如下图所示。在充电过程中，正极的氢氧化镍被还原为氢氧化亚镍，同时释放电子；负极的金属镉被氧化为氢氧化镉，并吸收电子。电解液通常为氢氧化钾溶液，起到离子传导的作用。在放电过程中，反应则相反，氢氧化亚镍被氧化为氢氧化镍，金属镉被还原，释放电子，从而产生电流。③燃料电池

燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。其工作原理基于正极和负极之间的电化学反应，其中燃料（如氢气）在正极发生氧化反应，释放出电子和质子；电子通过外部电路流向负极，形成电流；而质子则通过电解质迁移到负极，在负极与氧气结合生成水。（3）锂聚合物电池的电芯组合

锂聚合物电池是无人机应用最多的电池类型。目前工业生产的每一个锂聚合物电池单体电芯的额定电压都是3.7V。为了让电池能有更高的工作电压和电量，需要对电池单体电芯进行串联和并联，构成锂聚合物电池组。

电池组上面经常出现S和P的字样，其中S表示串联，P表示并联。

例如，“6S1P”中6S表示6节电芯串联成电芯组，1P表示只有1个电芯组；

“4S2P”表示每4节电芯串联，然后2串这样的电芯组再并联成一块完整的电池。

以单节锂电池标称电压3.7V、容量2.5A·h为例：

“6S1P”组态的电池组电压为6×3.7V=22.2V，电容量为1×2.5A·h=2.5A·h；

而“4S2P”组态的电池组电压为4×3.7V=14.8V，电容量为2×2.5A·h=5A·h。2.电机

电机是一种将电能转换为机械能的动力设备，在无人机上，电机旋转带动桨叶，使无人机产生升力或推力，通过控制电机转速，可使无人机完成各种飞行状态。根据工作电源种类，电机可以分为直流电机、交流电机；根据用途不同，可分为驱动电机和控制电机，如图所示。直流电机具有良好的启动性能、调速性能，比较适合用于无人机。（1）有刷直流电机

有刷直流电机主要由永磁材料制造的定子、绕有线圈绕组的转子（电枢）、换向器和电刷等构成，其结构模型如下图所示。有刷直流电机采用机械换向器，使得其驱动方法简单。只要在电刷的A和B两端通入一定的直流电流，电机的换向器就会自动改变电机转子的磁场方向，这样直流电机的转子就会持续运转下去。

有刷直流电机在运行时产生电火花会对遥控无线电设备产生干扰，且机械换向器的存在导致电机结构较复杂、制造成本高和故障率相对较高的问题，故而在无人机领域已经较少使用。

当前无人机领域应用最广的电机是无刷直流电机。（2）无刷直流电机

无刷直流电机主要由3个部分组成：定子、转子和位置传感器，如下图所示。其中定子通常由带有线圈绕组的铁芯构成，用于产生旋转磁场；转子通常由永磁体构成，用于在磁场作用下旋转；位置传感器用于检测转子的位置，常用的位置传感器是霍尔传感器。

无刷直流电机的定子是线圈绕组电枢，转子是永磁体。如果只给电机通以固定的直流电流，则电机只能产生不变的磁场，电机不能转动。只有实时检测电机转子的位置，再根据转子的位置给电机的不同相（W相、U相、V相）通以对应的电流，使定子产生方向均匀变化的旋转磁场，电机才可以跟着磁场转动起来。如下图所示，由于3个位置传感器随着转子的转动会依次导通，使得对应的相线圈也依次通电，定子产生的磁场方向也不断地变化，电机转子也跟着转动起来，这就是无刷直流电机的基本转动原理，即检测转子的位置，依次给各相通电，使定子产生的磁场的方向连续均匀地变化。（3）无刷直流电机的参数①KV值。KV值用来表示电机空载转数，即电压每增加1V，无刷电机增加的每分钟转速的数值。电机的空载转速=电机KV值×电池电压。KV值越大，电机转速越快，但相应扭矩越小，适用于无人机的高速飞行；而KV值越小，电机转速越慢，相应扭矩越大，适用于无人机的低速飞行或者携带更多的负载。

②电流。电流是指无人机电机在工作时所需要的电流。电流越大，电机所输出的功率越大，但也会增加电机的负荷和发热量，对电机寿命的影响也会更大。

③电压。电压是指无人机电机所需要的电压大小，通常为3S～6S（3S即由3节锂聚合物电池串联而成，6S即由6节锂聚合物电池串联而成，锂聚合物电池额定电压一般为3.7V），不同电压的电机适用于不同的无人机类型。

④效率。效率是指无人机电机所输出的功率与输入的电能之间的比值，影响电机寿命和电池寿命。效率高的电机能够更好地发挥其性能，延长无人机飞行时间和提高飞行质量。

⑤型号参数。电机的型号通常包含类似“2212”的一串数字，其中“22”表示电子定子直径为22mm，“12”表示电机电子高度为12mm，下图为一无刷直流电机实物。3.电子调速器

电子调速器（ESC），简称电调，是无人机系统中至关重要的组成部分，它负责控制电机的转速和转向，从而实现无人机的精确飞行控制。电子调速器接收来自飞行控制器的指令，并调节电机的功率输出，以确保无人机在各种飞行状态下的稳定性和响应能力。电子调速器主要有两种类型，即有刷电子调速器和无刷电子调速器，分别对应控制两种不同类型的电机。本书重点介绍用于控制无刷直流电机的电子调速器。微控制器

负责接收来自飞行控制器的指令，并根据这些指令调节输出到电机的功率。通过与其他部件通信，精确控制电机的转速。功率MOSFET

用于控制流向电机的电流。当MOSFET开启时，允许电流流过电机绕组；当MOSFET关闭时，则截断电流。通过快速开、关MOSFET，电调可以实现对电机转速的精确控制。电源管理模块

通常具备去电池电路（BEC），通过信号线为遥控接收器及舵机供电。此外，还可以将电池提供的直流电转换为可直接驱动电机的三相交流电。通信接口

与飞行控制器之间通常通过PWM、PPM或SBUS等通信协议进行数据交换。PWM协议适用于单个通道的信号传输，PPM和SBUS协议则可以同时传输多个通道的信号。（1）电子调速器的组成（2）电子调速器的性能指标电子调速器的性能指标转速稳定性PWM频率电压额定值响应时间调速范围电流额定值刷新率（3）电子调速器的接线

输入线与电池相连，用于输入电流；输出线与电机相连，用以调整电机转速；电子调速器的信号线与接收机相连接，用以接收飞控信号并给飞控板供电。飞控板没有驱动无刷电机的功能，需要电子调速器将直流电源转换为三相电源为无人机供电。同时，电子调速器在多旋翼无人机中也充当了变压器的作用，将电源电压转换成5V左右的电压，给飞控板、遥控接收器和舵机供电。4.螺旋桨

螺旋桨是指靠桨叶在空气中旋转，将发动机转动功率转换为推进力或升力的装置。

多旋翼无人机多采用定距螺旋桨，即桨距固定，桨叶安装角不可变；单旋翼无人机常采用变距螺旋桨，即桨距可进行周期性变化，桨叶安装角可调整。定距螺旋桨变距螺旋桨（1）螺旋桨尺寸

螺旋桨尺寸通常用“××××”型数字来表示，前两位数字表示螺旋桨直径，后两位数字表示螺旋桨桨距（或螺距），单位均为英寸（in），1in等于2.54cm。浆距即桨叶旋转一圈旋转平面移动（向上或者向下）的距离。需要注意如下两点。

①对旋翼机而言，螺旋桨直径一般很少超过30in（76.2cm），因此如果尺寸中前两位数字大于30，需要除以10。例如“8060桨”表示桨直径为8in。

②旋翼机桨距一般很少大于10in（25.4cm），因此如果尺寸中后两位数字大于10，则需要除以10。例如，“1045桨”表示桨距为4.5in。（2）桨叶方向

螺旋桨有正、反桨之分，沿顺时针方向旋转的是反桨，沿逆时针方向旋转的是正桨。

不同生产厂家可能采用不同的刻字方式来区分正、反桨。例如，有些厂家会在桨叶上刻“L”和“R”字样，其中“L”代表正桨，“R”代表反桨；有些则使用“CCW”和“CW”来区分。

在多旋翼无人机中，为了平衡无人机的力矩，通常会使用正、反桨的配置，即相邻位置桨叶的旋向相反。例如，四轴无人机中，相邻的螺旋桨会采用正、反桨相间的方式安装，以抵消旋转产生的扭矩，提高飞行稳定性。（3）桨叶数量

无人机螺旋桨的桨叶数量是影响无人机性能的重要因素之一。无人机螺旋桨的桨叶数量通常为两叶、三叶或四叶，甚至更多，具体选择取决于无人机的用途、负载能力、飞行效率以及操作者的需求，桨叶数量与性能关系如下图所示。（4）电机与螺旋桨的匹配

电机与螺旋桨的匹配需要看电机的转速和螺旋桨的大小，配型原则为：高KV值电机配小桨，低KV值电机配大桨。这是因为：桨直径越大，转动惯量和所需驱动扭矩越大，而低KV值电机本身输出扭矩更高，正好满足大桨需求；小尺寸螺旋桨转动惯量小，无须过大扭矩，高KV值电机可提供足够的转速。2.2.3混合动力系统

混合动力系统是一种介于传统燃油发动机和全电动推进系统之间的新型推进形式，其核心在于通过智能能量管理策略，实现内燃机与电机的协同工作，从而优化能源利用效率，下图为安装混合动力垂直起降无人机。串联式混合动力系统内燃机仅用于发电，产生的电能通过电池或直接驱动电动机提供动力。这种结构适用于需要高功率输出但是对续航时长要求不高的场景，如多旋翼无人机。并联式混合动力系统内燃机和电动机同时驱动螺旋桨或通过传动装置输出动力。这种结构能够实现发动机与电动机的协同工作，适合需要高推力输出的场景（如爬升、加速）。串-并联式混合动力系统结合了串联和并联结构的优点，能够在不同飞行阶段灵活切换工作模式，以适应复杂多变的飞行需求。（1）混合动力的主要类型延长飞行时间

通过电动机辅助，在内燃机运行效率较低时提供额外推力，延长无人机飞行时间。提高燃油经济性

优化内燃机运行状态，