无人技术应用 5

《智能无人机技术及应用》无人机—结构组装

A传统旋翼无人机组件常用装配方法及紧固件多旋翼无人机装配实践实物平台与演示BCDE目

录装配工具传统旋翼无人机基本组件延迟符动力系统与指控控制系统的基本组成和连接关系传统旋翼无人机基本组件机架主要由机身、起落架和减震板组成。在设计四旋翼时，机身的尺寸、布局、材质、强度和重量等因素都是应该仔细考虑。在保证机身性能的前提下，重量应尽量小。轴距是四旋翼无人机尺寸的重要参数，通常被定义为电机轴围成的外加圆周的直径（单位：mm）。材质决定了机身的重量和硬度。碳纤维的材质密度较小，刚度和强度最大，在四旋翼无人机的设计中要求高稳定性和高转换率，所以选用碳纤维材质来制作机架。传统旋翼无人机基本组件传统旋翼无人机基本组件机架起落架和减震板起落架一般位于机身的下方，合适的起落架会给四旋翼无人机带来很多益处，常用的四旋翼无人机的起落架如图所示，其主要作用有：支撑四旋翼的重力，在起飞与降落时支撑四旋翼并保持机身水平平衡；保持四旋翼与地面有足够的安全距离，避免螺旋桨与地面发生碰撞；减小起飞时的地效（下洗气流冲击地面产生的气流干扰）；消耗和吸收四旋翼在着陆时的撞击能量。减震板和减震球，减震意义：飞控板上的加速度传感器对振动十分敏感，而加速度信号直接关系到姿态角和位置的估计。通过减震球吸收掉桨叶和电机在旋转中产生的谐波和振动，吸收高频的微小振动，减少给传感器带来的高频噪声，以此来稳定无人机在运动状态中的实时姿态数据。减震另外一个作用是提高成像的质量，这样可以不依赖云台，这对于四旋翼无人机的小型化至关重要。当四旋翼无人机出现炸机等失控情况下难免发生碰撞，减震装置也有效地保护了飞控板，起到缓冲吸收冲击能量的作用，从而减小飞控板的受损程度。传统旋翼无人机基本组件机架——减震板已加载减震球的高度数据未加载减震球的高度数据吸收高频的微小振动，减少给传感器带来的高频噪声。传统旋翼无人机基本组件动力系统包括螺旋桨、电机、电调以及电池。动力系统决定了四旋翼无人机的主要性能，例如悬停时间、载重能力、飞行速度和飞行距离等。动力系统——桨叶作用：1）螺旋桨是直接产生多旋翼运动所需的力与力矩的部件。2）合适的螺旋桨对提高多旋翼性能和效率有着直接的影响。考虑到电机效率会随螺旋桨尺寸变化而变化，所以合理匹配的螺旋桨可以使电机工作在更高效的状态，从而保证在产生相同拉力情况下消耗更少的能量，进而提高续航时间。传统旋翼无人机基本组件动力系统——桨叶提供同样拉力的情况下，两桨叶比三桨叶尺寸大两组正牙，两组反牙

抑制自旋转桨叶型号含义（例1045）1045的含义是，螺旋桨的直径是10英寸，螺距是4.5英寸。螺距是什么呢？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，就称为螺距或桨距（PropellerPitch）。传统旋翼无人机基本组件动力系统——电机电机作为四旋翼控制输出量的最终执行机构，对四旋翼飞行姿态的调节起着直接作用，而大小不同的四旋翼系统，又有各自的特点。（1）尺寸（2）标称空载KV值（3）标称空载电流和电压（4）电机效率（5）总力效无刷直流电机传统旋翼无人机基本组件传统旋翼无人机基本组件动力系统——电调电调的全称为电子调速器，英文为ElectronicSpeedControl，简称ESC。电调最基本的功能是接收自驾仪传输的PWM信号来控制电机调速，通常由MOS管配合单片机组成，主要作用是将动力电池所提供的直流电转换成三相驱动电流，并通过过零检测等电路检测无刷电机的反馈，从而顺利地驱动无刷电机，即充当一个换向器的角色。电调的主要参数指标有：（1）最大持续/峰值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。•最大持续电流指的是在正常工作模式下的持续输出电流•峰值电流指的是电调能承受的最大瞬时电流。（2）电压范围电调能够正常工作所允许输入的电压范围也是非常重要的参数。一般在电调说明书上可以看到标注例如“3-4SLiPo”字样，表示这个电调适用于3到4节电芯串联的锂聚合物电池，也就是说它的电压范围为11.1V~14.8V。（3）可编程性通过内部参数的设置，可以让电调最佳的性能。动力系统——电调传统旋翼无人机基本组件动力系统——电池电池主要用于提供能量。目前无人机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。现在可用来做航模动力的电池种类很多，常见的有锂聚合物电池（LiPo）和镍氢电池（NiMh），主要源于其优良的性能和便宜的价格优势。电压•

锂电池组包含两部分：电池和锂电池保护线路。•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。•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，所以输出的电压就越小。B.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，所以导致其剩余电量与放电时间并非是线性关系。C.放电倍率一般充放电电流的大小常用充放电倍率来表示，即充放电倍率=充放电电流/额定容量。•例如：额定容量为100Ah的电池用20A放电时，其放电倍率为0.2C。传统旋翼无人机基本组件控制系统——飞控飞控系统是无人机的核心，负责所有外围硬件的运作、无人机的飞行状态和与地面站交互等核心任务。主要作用如下：（1）导航：导航就是解决“无人机在哪”的问题。如何发挥各自传感器优势，得到准确的位置和姿态信息，是飞控系统首先解决的问题。（2）控制：控制就是解决“无人机怎么去”的问题。首先得到准确的位置和姿态信息，之后根据任务，通过算法计算出控制量，输出给电调，进而控制电机转速。（3）决策：决策就是解决“无人机去哪儿”的问题。去哪儿可能是操作手或者外界自主导航传感器决定的，也可能是为了安全，按照规定流程的紧急处理方案。pixhawk飞控主板传统旋翼无人机基本组件1）频率•常用的无线电频率是72MHz与2.4GHz，目前采用的最多的是2.4GHz遥控器。•2.4GHz技术属于微波领域，有如下几个优点：频率高、同频几率小、功耗低、体积小、反应迅速、控制精度高。•2.4G微波的直线性很好，换句话说，控制信号的避让障碍物的性能就差了。控制模型过程中，发射天线应与接收天线有效的形成直线，尽量避免遥控模型与发射机之间有很大的障碍物（如房屋及仓库等）。2）通道

一个通道对应一个独立的动作，一般有6通道和10通道。多旋翼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4通道遥控器。3）美国手和日本手

美国手和日本手就是遥控杆对应的控制通道的设置不同。美国左手操作杆是“升降+偏航”，右手为“俯仰+滚转”。日本手则相反。目前，国内以美国手遥控器为主。控制系统——遥控器和接收机传统旋翼无人机基本组件4）油门•油门杆不会自动回中，最低点为0%油门，最高点为100%油门。这种油门主要对应的是期望的推力的大小,称直接式油门。•还有一种油门是松手油门自动回中，属于增量式油门。这种油门大小对应的是期望的速度大小。油门回中，多旋翼的期望速度为零，也就意味着多旋翼在当地悬停。5）遥控距离

根据功率不同，遥控器控制的距离也有所不同。遥控器上也可以使用带有功率放大（PowerAmplifier，PA）模块，带有鞭状天线，可以增大操控距离。控制系统——遥控器和接收机传统旋翼无人机基本组件控制系统——GPS导航GPS是无人机飞行的重要设备，需要通过GPS判断无人机的方位，与飞控系统结合，可以实现更丰富的功能。配置匹配的GPS模块即可，一般飞控主板上有GPS接口，直接插入就可以应用。GPS导航系统的一般工作原理和主要功能：（1）卫星定位：（2）位置估计：（3）导航计算：（4）姿态校准：（5）地图集成：（6）故障排除：传统旋翼无人机基本组件实践制作一部属于自己的无人机并实现真机飞行。自己动手？——以UE-01A为例以UE-01A为例动力系统机体结构飞行控制系统数据链路系统旋翼轴数：四旋翼机架轴距：380mm机架布局：X型机架材质：碳纤维机架UE-01A的机体结构也包括了机架和起落架；其机架主要由上层板、机臂和下层板组成，除此之外它还有拓展板、隔离柱和电池仓。机体由机架和起落架组成，是多旋翼无人机其他结构的安装基础，起承载作用。以UE-01A为例常用装配方法及紧固件一、机械连接技术1.螺纹连接螺纹连接是无人机装配的上要连接形式之一，主要应用于无人机承力结构部位的连接，尤其在大部件对接，如机翼与机身的对接多采用高强度的重要螺栓。能很好地解决工艺性、检查维修和便于更换的问题。强度高1可节性好2构造简单3安装方便4易于拆卸5特点常用装配方法及紧固件一、机械连接技术2.铆接铆接即铆钉连接，是利用轴向力将零件铆钉孔内钉杆墩粗并形成钉头，使多个零件相连接的方法。目前铆接是无人机装配过程中的主要连接方法。

常用装配方法及紧固件容易引起变形，蒙皮表面不够平滑1普通铆接的疲劳强度低且密封性能差2劳动强度大,生产效率低,劳动条件差3增加了结构重量和强度4使用工具机动灵活、简单、价廉1适用于较复杂结构的连接2连接强度较稳定可靠3操作工艺易掌握4容易检查和排除故障5适用于各种不同材料之间的连接6铆接的优点铆接的缺点常用装配方法及紧固件二、焊接技术焊接，也称作熔接、镕接，是一种以加热，高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术。焊接通过下列三种途径达成接合的目的：钎焊采用比母材熔点低的金属材料做钎料，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材互相扩散实现链接焊件。适合于各种材料的焊接加工，也适合于不同金属或异类材料的焊接加工。压焊焊接过程必须对焊件施加压力，属于各种金属材料和部分金属材料的加工。熔焊指焊接过程中，将焊接接头在高温等的作用下至熔化状态。由于被焊工件是紧密贴在一起的，在温度场、重力等的作用下，不加压力，两个工件熔化的融液会发生混合现象。待温度降低后，熔化部分凝结，两个工件就被牢固的焊在一起。常用装配方法及紧固件三、胶接技术胶连接是利用胶粘剂在连接面上产生的机械结合力、物理吸附力和化学键合力而使两个胶接件联接起来的工艺方法。胶接不仅适用于同种材料，也适用于异种材料。胶接工艺简便，不需要复杂的工艺设备，胶接操作不必在高温高压下进行，因而胶接件不易产生变形，接头应力分布均匀。在通常情况下，胶接接头具有良好的密封性、电绝缘性和耐腐蚀性。例如无人机装配过程中我们常使用的螺纹胶防止螺纹连接松动就属于胶接技术。常用装配方法及紧固件三、胶接技术1.工艺流程2.工艺要求（平、干、净、匀、够）A.粘接面要平整。

B.清洗过后一定要自然晾干、烘开，不用手摸。C.按触面的粘面一定要干净，不能有油污、铁锈、众尘。D.涂胶要均匀。

E.压力要够，受压一定要垂直和保持中心，以免打滑。常规装配方式1.螺栓：螺栓需与螺母配合，用于通孔，把螺母拆下即可拆卸，紧固工具是扳手。有以下几种：常用紧固件内六角螺栓犬牙外六角螺栓U型螺栓蝶形螺栓双头螺栓马车螺栓法兰螺栓T型螺栓304塞打螺栓活结螺栓吊环螺栓英美制螺栓2.螺钉：螺钉是一种常见的紧固件，在机械、电器及建筑物上广泛使用。一般材质为金属或塑胶，呈圆柱形，表面刻有凹凸的沟称为螺纹。紧固工具是螺丝刀，螺钉一般有以下几种：常用紧固件机牙螺钉手拧螺钉六角螺钉自钻螺钉组合螺钉自攻螺钉3.通丝／丝杆：可自由调节螺母位置。4.螺柱：一端旋入带有内螺纹孔的零件中，另一端穿过带有通孔的零件中，然后旋上螺母，使这两个零件紧固连接成一件整体。常用紧固件5.螺母：又称为螺帽，是一种固定用工具，其中心有孔，孔的内侧有螺纹。螺母经常与大小相合的螺丝共用，以固定有关的接合部分。如果震动等环境因素令螺母松脱，可使用胶水或别针等工具进一步为有关部分加固。常见螺母一般有以下几种：常用紧固件六角螺母四方螺母蝶形螺母法兰螺母防松螺母6.垫圈：用在螺栓、螺钉或螺母与被连接部位之间，保护被连接件表面、防止紧固件松动。7.挡圈／卡簧：起轴向限位作用，防止其他零件轴向窜动。常用紧固件螺丝刀是一种用来拧转螺丝以使其就位的常用工具，通常有一个薄楔形头，可插入螺丝钉头的槽缝或凹口内。使用方法：将螺丝刀拥有特化形状的端头对准螺丝的顶部凹坑，固定，然后开始旋转手柄。根据规格标准，顺时针方向旋转为嵌紧，逆时针方向旋转则为松出（极少数情况下相反）。装配工具1.内六角螺丝刀UE-01A装配实践中我们所用到的工具有内六角螺丝刀、电烙铁和万用表。注意事项：（1）使用时应注意选择与螺钉槽相同且大小规格相应的螺丝刀。（2）切勿将螺丝刀当做錾子使用，以免损坏螺丝刀手柄或刀刃。（3）使用螺丝刀时，用右手握住握柄并旋动握柄，左手握住螺丝刀的中间部分，使螺丝刀不致滑脱螺丝钉头槽。此时左手不得放在螺钉的周围，以免螺丝刀滑出时将手划伤。1.内六角螺丝刀装配工具

电烙铁是电子制作和电器维修的必备工具，主要用途是焊接元件及导线。使用方法：（1）选用合适的焊锡，应选用焊接电子元件用的低熔点焊锡丝。（2）用烙铁头沾取适量焊锡，接触焊点，待焊点上的焊锡全部熔化并浸没元件引线头后，电烙铁头沿着元器件的引脚轻轻往上一提离开焊点。2.电烙铁装配工具注意事项：（1）电烙铁使用前要上锡，具体方法是：将电烙铁烧热，待刚刚能熔化焊锡时，涂上助焊剂，再用焊锡均匀地涂在烙铁头上，使烙铁头均匀的吃上一层锡。（2）焊点应呈正弦波峰形状，表面应光亮圆滑，无锡刺，锡量适中。（3）焊接时间不宜过长，否则容易烫坏元件，必要时可用镊子夹住管脚帮助散热。（4）电烙铁不使用时应放在烙铁架上。2.电烙铁装配工具

万用表是一种带有整流器的、可以测量交、直流电流、电压及电阻等多种电学参量的磁电式仪表。使用方法：万用表的蜂鸣档（Ω档）主要是用来检查线路通断，检查线路时，使用蜂鸣档进行测量，如果数字万用表发出蜂鸣声，那么这个线路是通的，如果没有蜂鸣声，说明电路是断路的。在使用蜂鸣档测量某电路时，蜂鸣档测试不需要在带电的情况下测量。3.万用表装配工具注意事项：（1）使用万用表之前，应充分了解各转换开关，专用插口，测量插孔以及相应附件的作用，发解其刻度盘的读数；（2）万用表在使用时一般应水平放置在无干燥，无振动，无强磁场的条件下使用；（3）测量完毕，应将量程选择开关调到最大电压档，防止下次开始测量时不慎烧坏万用表。3.万用表装配工具1.螺旋桨桨叶边缘、机身组件边缘、起落架组件边缘锋利，装配、拆卸时当心划伤。2.对暂时不用的工具，如螺丝刀、镊子，存放位置要得当，应放在专用的工具袋或工具盒中，平稳安放于桌面，使其不易脱落伤人。3.学生之间应手递手地传递工具，不要抛掷。传递螺丝刀时，要把柄部向着接受工具的人。4.使用电烙铁时注意安全，防止烫伤自己和他人。5.严禁随意插拔各元器件连接线。6.严禁摔打磕碰以及用力弯折机体结构部件。装配注意事项多旋翼无人机装配实践1.1取出上层版取出上层板，注意正反面，如图所示摆放于桌面上。多旋翼无人机电装1.2安装电源模块多旋翼无人机电装取出一个电源模块和四个M3*5的内六角螺丝，将电源模块固定于上层板上，如下图所示。正视图1.3焊接电调多旋翼无人机电装取出四个电调、四个XT30的公头和四个3*8mm的热缩管，将电调电源线剪短至合适长度，线缆末端将绝缘皮剥去约2mm，焊接XT30头，焊接完成后套上热缩管用热风枪使其加热收缩，如下图所示。注意区分正负极1.4安装电调多旋翼无人机电装取出焊接好的四个电调和八根扎带，利用扎带将电调固定于上层板上，并将电调上的XT30公头与电源模块上的XT30母头对接，如下图所示。1.5电调信号线走线多旋翼无人机电装将电调信号线由箭头指向的口穿出，并区分好每根线对应的电调号数（可在穿出的信号线上粘贴标签作区分），如下图所示。1号电调4号电调2号电调3号电调1.6焊接电机香蕉头1.~95mmX

42.X123.X12依据批次不同，此步或可省略请以实物为准多旋翼无人机电装取出四个电机、十二个香蕉头和十二个热缩管，先将电机线剪短至合适长度，线缆末端将绝缘皮剥去约2.5mm，镀锡。再将每根电机线与香蕉头焊接在一起，最后套上热缩管用热风枪使其加热收缩，如右图所示。机体结构机体结构是指多旋翼飞行器的机身架，是整个飞行系统的飞行载体。一般使用高强度重量轻的材料，增加飞行器飞行的稳定性并减轻无人机的负载量，例如碳纤维材料。机体结构一般由可拆卸的模块化机体组成，既方便携带，又可以在短时间内完成装配、起飞。多旋翼无人机机体结构装配17324561.拓展板2.隔离柱3.上层板4.机臂5.下层板6.电池仓7.起落架2.1取出下层版多旋翼无人机机体结构装配取出下层板，注意下层板的孔位方向，如图所示摆放于桌面上。2.2安装下层版拓展铝柱多旋翼无人机机体结构装配取出六个M3*6的铝柱和六个M3*5的内六角螺丝，按照图示位置安装拓展铝柱（可使用螺纹胶加固）。2.3安装起落架固定螺丝多旋翼无人机机体结构装配取出四个M3*12的内六角螺丝和四个M3螺母，按照图示位置安装起落架固定螺丝（可使用螺纹胶加固）。2.4安装电池缓冲泡绵正视图多旋翼无人机机体结构装配取出一块尺寸为5*40*135的海绵，撕掉隔离膜将海绵按照正视图所示粘贴到下层板上。2.5准备电池仓碳板正视图多旋翼无人机机体结构装配取出一块电池板和一块尺寸为3*40*135的海绵，撕掉隔离膜将海绵按照正视图所示粘贴到电池板上。2.6安装电池挡块安装效果多旋翼无人机机体结构装配取出两块电池挡块、一块尺寸为5*10*30的海绵和两个M3*8的内六角螺丝，撕掉隔离膜将海绵粘贴到电池挡块上；粘贴完成后用内六角螺丝将其固定到电池板上，最终安装效果如下图所示。2.7安装隔离铝柱多旋翼无人机机体结构装配取出四个M3*50的铝柱和四个M3*8的内六角螺丝，按照图示位置在电池板上安装隔离铝柱。2.8组合下层版下层版准备完成示意图多旋翼无人机机体结构装配取出四个M3*8的内六角螺丝，按照图示位置用内六角螺丝将下层板和电池仓组合在一起，最终安装效果如下图所示。2.9安装两侧隔离柱多旋翼无人机机体结构装配取出两个M3*5的内六角螺丝和两个M3*10的铝柱，按照图示位置安装隔离柱（可使用螺纹胶加固）。2.10安装机臂多旋翼无人机机体结构装配取出四根机臂、四个M3*25的内六角螺丝和四个M3*16的内六角螺丝，按照图示位置安装机臂；有字面朝碳