多旋翼无人机知识手册

1、版本1.1凌航智能技术工作室培训材料多旋翼无人机知识手册先前的评论随着多旋翼无人机的广泛应用，多旋翼无人机的进入门槛越来越低，对“手拉手飞行”和个人航空相机等操作人员的要求几乎为零，多旋翼无人机可以为没有基本常识和经验的人操作。然而，这些给人民和财产的安全带来了巨大的隐患。鉴于上述考虑，本教材阐述了多旋翼无人机的基本原理，总结了飞行过程中的注意事项、操作方法以及如何规避风险。这是一本适合飞行初学者的教材，旨在普及航空知识和飞行常识等基础理论。根据经验，提出了飞行中应注意的问题，如何规避风险，如何应对突发事件。这本教科书中的一些材料是基于无人驾驶飞行器的书籍，而另一些是基于飞行模型的经验。其中许

2、多是非常罕见的第一手材料。因此，它们可以作为飞行初学者的基础教程和广大无人机爱好者的学习材料，其主要目的是拓宽他们的知识和思维。由于水平有限，时间短，书中的疏漏是不可避免的。敬请读者批评和指正，以便我们在第二版中进行修改。作者内容先前-2-目录-3-第一章导言-4-第二章体系构成和原则-7-第三章飞机-18-第四章操作方法示例-26-第五章其他细节-45-第六章多旋翼无人机的功能和意义-54-第七章多旋翼无人机相关的航空法规和航空气象-55-摘要-67-参考文献-67-第一章导言无人驾驶飞行器系统的发展历史在任何一本关于无人驾驶飞行器的书中都有介绍，在此不再重复。然而，国内外无人机的发展现状也

3、是一面倒。基于他们自己的水平和对国外无人机的有限了解，他们不会重复。在本文中，只对多旋翼无人机进行综述。多旋翼无人机系统综述无人机简称无人机，包括无人机、遥控飞机和无人靶机。随着近年来多旋翼无人驾驶飞行器的发展，它们源自航空模型。航空模型通常被称为无线电控制(RC)，所以许多人也认为多旋翼无人驾驶飞行器是航空模型。然而，无线电控制是从远处引导或控制的，属于无人驾驶飞行器。然而，无人机不一定是无线电控制的，因为无人机可以按照预设的飞行程序飞行。无论无人机是通过遥控还是通过预设的导航系统飞行，它都不一定会被释放，也就是说，它是由一个有飞行技能的人控制的。目前使用的无人机通常具有自动驾驶和导航系统，

4、可以保持飞机的飞行姿态、飞行高度和地面跟踪。无人机遥控通常是指手动调整方向、高度、速度等。通过设置在地面控制站的开关或操纵杆来控制无人机的位置。然而，当无人机到达指定路线时，无人机中的自动驾驶仪可以保持飞行稳定性并实现控制。各种类型的导航系统(全球定位系统、无线电控制系统、惯性系统)可以执行预设任务，这些任务可以手动操作或自动完成。典型的无人机系统至少应包括一架飞机、一个或多个地面控制系统和/或任务规划和控制站、有效载荷和数据链路。此外，许多无人机系统包括发射和回收子系统。一个非常简单和常见的无人机系统如图1.1所示。图1.1通用无人机系统飞机飞机是无人机系统的空中部分，包括机身、推进装置、飞

5、行控制装置和电源系统。飞行数据终端安装在飞机上，是通信数据链路的机载部分。有效载荷显然是机载的，但是它被认为是一个独立的子系统，可以在不同的飞机之间使用，并且被专门设计来完成各种不同的特性。飞机可以是固定翼型、旋转翼型或风道型。轻型飞机也可以称为无人驾驶飞行器。一些典型的飞机如图1.2所示。图1.2典型飞机多旋翼无人机系统的分类根据轴的数量，有三个、四个、六个、八个甚至十八个轴。根据发动机的数量，有三个转子，四个转子，六个转子，八个转子，甚至十八个转子。让我们弄清楚，轴和转子是相同的，有时是不同的，例如，四轴八转子。电机安装在上下四个轴上，形成八个转子。只要教材主要由四个转子组成。多旋翼无人机

6、的任务多旋翼无人机的任务由其航程、续航时间、速度和有效载荷能力决定。通常，无人机的设计最初主要基于有效载荷和特定的任务要求。最常见的任务包括航空摄影、植物保护、线路巡逻、刑事调查、救援等。不同的任务有不同的要求，对性能的要求也有不同的侧重点，但最迫切的需要是在保证足够的任务负载的情况下提供更长的耐久性。市场上可见的多旋翼无人机大多应用于民用领域，在军事上应该有大规模应用的前景，但尚未推广。这也对多旋翼无人机的稳定性、可靠性和适应各种复杂环境的能力提出了挑战。目前，多旋翼无人机正在向模块化结构发展，这大大简化了多旋翼无人机的结构，对进一步拓展市场起到了一定的作用。第二章体系构成和原则四轴(多轴)

7、飞机也称为四旋翼(多旋翼)飞机。它有四个(多个)螺旋桨，四轴(多轴)飞机也是结构最简单的飞机。一个在前，一个在后，一个在左，一个在右，其中中央控制板接收来自遥控发射器的控制信号，在接收到操作者的控制后，它通过数字控制总线控制四个电气控制，然后电气控制将控制命令转换成电机的转速，以满足操作者的控制要求。根据安装的飞行控制系统，确定电机的旋转顺序和螺旋桨的正反转。机械结构只需要保持重量分布均匀。四个马达保持在一条水平线上。可以说结构非常简单。制造四个轴的目的也是通过电子控制使机械结构尽可能简单。对其成分进行归纳，如图所示：多旋翼无人机机身起落装置发动机,转义字符电池螺旋桨遥控装置全球定位系统模块任

8、务设备数据传输器飞行控制机身：机身是大多数设备的安装位置，也是多旋翼无人机的主体，也是机体。根据臂的数量，它可以分为三个转子，四个转子，六个转子，八个转子，十六个转子，十八个转子，四个轴和八个转子等。不同的结构有不同的名称。由于结构强度和重量，通常使用碳纤维。起落架：多旋翼无人机中唯一与地面接触的部分。作为起飞和着陆时整个机身的缓冲器，它也用于保护机载设备。它需要高强度、坚固的结构、与机身的可靠连接以及承受一定冲击的能力。通常，在起落架的前部和后部安装或喷涂不同的颜色，以在长距离飞行时区分多旋翼无人机的前部和后部。电机：对于电动无人机，它是电机，是多旋翼无人机的动力机构，提供升力、推力等。无刷

9、电机去除电刷，最直接的变化是无刷电机运行时不产生电火花，从而大大减少了电气干扰电机四个数字的含义：2212电机、2018电机等。表示电机的尺寸。无论是什么品牌的电机，具体数字都应该是4位数字，其中前两位数字是电机转子的直径，后两位数字是电机转子的高度。请注意，它不是一个外壳。简而言之，前2位越大，电机越胖，后2位越大，电机越高。高、大型电机功率较高，适用于大型四轴电机。通常2212电机是最常见的配置。无刷电机的千伏值定义为：速度/伏，即输入电压的速度值增加1V，无刷电机空转速度增加。例如，如果1000kv的电动机被施加1v的电压，电动机在空转时每分钟旋转1000转，如果施加2v的电压，电动机在

10、空转时旋转2000转。电机的质量不能仅从千伏值来评估，因为不同的千伏值对于不同尺寸的浆料绕组有不同的应用。KV值低，最大输出电流小，但转矩大，浆料尺寸大。如果绕组匝数少，千伏值高，最大输出电流大，但转矩小，并应用小尺寸浆料。电动调节：电子调速器，将飞行控制的控制信号转换成控制电机转速的电流信号。由于电机的电流非常大，通常每个电机正常工作时，平均电流约为3 A。如果没有电气控制，飞行控制无法承受如此大的电流，飞行控制也没有驱动无刷电机的功能。同时，电控也作为多旋翼无人机中的电压互感器，将11.1伏的电压变为5伏，为飞行控制提供电源。电池：它是电动多旋翼无人机的供电装置，为发动机和机载电子设备供电

11、。最小的是1S电池，常用的是3S、4S和6S，1S代表3.7V电压。螺旋桨：它安装在马达上。多旋翼无人机安装有总螺距不变的螺旋桨。主要指标是音高和大小。纸浆指数为4位数，前2位数代表桨的直径(单位：英寸，1英寸=254毫米)第二个位置是桨的螺距。正反桨：为了抵消四轴飞行中螺旋桨的旋转，相邻桨的旋转方向不同，所以需要正反桨。向前和向后的桨都在向下吹。适合顺时针旋转的称为正浆，适合逆时针旋转的称为反浆。安装时，请务必记住，无论是正向还是反向叶片，带有字符的一侧都是向上的(叶片的圆形一侧应与电机的旋转方向一致)。电机和螺旋桨的匹配：这是一个非常复杂的问题，我也在研究，所以建议采用普通的配置，但原理可

12、以在这里解释：螺旋桨越大，升力越大，但相应地需要更大的动力来驱动；螺旋桨速度越高，升力越大。电机的千伏电压越小，旋转力越大；总而言之，一个大螺旋桨需要一个低千伏的马达，一个小螺旋桨需要一个高千伏的马达(因为升力的缺乏需要通过转速来补偿)。如果高千伏装备有大的桨并且不够坚固，这将是非常困难的。事实上，它仍在低水平运行。电机和电控装置容易烧毁。如果低千伏配备小桨，根本没有问题，但升力不够，这可能会妨碍起飞。例如，一个1000千伏的电动机通常使用大约10英寸的叶片。飞行控制：包括陀螺仪、加速度计、电路控制板和外围接口。陀螺仪：理论上，陀螺仪只测试旋转角速度，但实际上所有陀螺仪都对加速度敏感，重力加速

13、度在地球上无处不在。在实际应用中，很难保证陀螺仪不受由冲击和振动引起的加速度的影响。因此，陀螺仪对加速度的灵敏度在实际应用中非常重要，因为振动灵敏度是最大的误差源。双轴陀螺仪可以起到稳定作用，三轴陀螺仪可以稳定自身。加速度计：通常是三轴加速度计任务设备：目前最常用的是云台，常用的有两轴云台和三轴云台；作为照相机或摄像机的稳定装置，PTZ在两个或三个方向上提供稳定的控制。云台可以与遥控器中的控制电机集成，也可以由单独的遥控器控制。数据链：数据链包括数据传输和图形传输。数据传输是数字传输。数据传输终端和地面控制站(笔记本或移动电话等数据终端)从飞行控制系统接收数据信息。图像传输就是图像的传输。机载

14、摄像机或视频摄像机拍摄的图像通常会延迟几十毫秒。目前，高清数字图像传输也是可行的。传输速率和清晰度有了很大的提高。控制原理四轴飞行器的控制原理是当没有外力和重量分布均匀时，四个螺旋桨以相同的转速旋转。当螺旋桨的向上拉力大于整个机器的重量时，四个轴将上升。当拉力等于重量时，四个轴可以在空中盘旋。当向四个轴的前部施加向下的外力时，前马达加速旋转速度以抵消外力的影响，从而保持水平。同样，当外力施加到其他方向时，四个轴也可以通过这个动作保持水平。当需要控制四个轴向前飞行时，前马达减速，后马达加速，因此四个轴向前倾斜并向前飞行。同样，也是通过这样的控制，当向后、向左和向右飞行时，四个轴可以飞向我们想要控

15、制的方向。当我们想控制四个轴的头部顺时针旋转时，四个轴同时加快左右电机的转速，同时降低前后电机的转速。因为左右电机逆时针旋转，而左右电机的转速相同，所以左右电机平衡，而前后电机顺时针旋转。但是，前后电机的转速是相同的，所以前后左右可以保持平衡，飞行高度可以保持不变，但是逆时针方向的旋转力大于顺时针方向的旋转力，所以机身会向相反的方向旋转，从而达到控制机头的方向。这也是为什么必须使用两个反向桨和两个正向桨的原因。转义字符我们通常使用的商用电动调节是通过接收器上的节流通道来控制的。来自该接收器的控制信号通常是每隔20毫秒的脉冲宽度控制信号。为了提高响应速度，四个轴的控制命令的间隔需要更短，比如说，

16、5毫秒。因此，需要特殊的电气调节来代替普通的商业电气调节。但是，我为什么要用I2C公交车来连接电动调节器呢？这与电路设计和软件编写等有关。I2C总线可以在硬件连接上将多个设备直接连接到总线。它具有相应的传输机制，保证了主从设备之间的通信顺畅，连接更加方便。因此，可以将四条电气控制线并联到主控制板。这也与我们选择的芯片有关。许多单片机都集成了I2C总线，软件设计也很方便。陀螺仪陀螺仪对小的旋转非常敏感，因此它们在控制飞机的飞行姿态方面起着重要的作用。一个小偏转陀螺仪可以自动校正飞机。简而言之，陀螺仪帮助飞机保持稳定的姿态，所以带陀螺仪的飞机在飞行中是稳定的。然而，一架四轴飞机没有陀螺仪就不能飞行

17、，因为四个螺旋桨会因为功率上的一点点差异而翻转。三轴加速度计用于分析陀螺仪的信号、旋转了多少角度，并分析此时的飞行姿态。它能记住飞机的姿态。当你返回操纵杆时，飞机会自动回到水平位置。简而言之，四轴(多轴)航空摄影车是由一个四轴(多轴)航空摄影车配备了一个摄像头和一个图形传输系统，以监测地面。结构如图所示，当马达1和马达3反向旋转时与电动直升机相比，四旋翼飞机具有以下优点：每个旋翼施加到机身的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当马达1和马达3逆时针旋转时，马达2和马达4顺时针旋转，这可以平衡旋翼对机身的反扭矩。四旋翼飞机在空间有6个自由度(分别沿3个坐标轴平移和旋转)。这6个自由度的控制可以通过调节不同电机的转速来实现。结构该四