1)动力系统
目前大型无人机采用的动力装置为活塞式发动机系统。目前小型无人机采用的动力装置为活塞式发动机系统。目前轻型无人机采用的动力装置为活塞式发动机系统。出于成本和使用方便的考虑,微型无人机普遍使用电动动力系统。
无人机产生推力的主要部件是螺旋桨。常见的多旋翼无人机通常会搭配 4 个螺旋桨,其中有两个是顺时针旋转的,另外两个是逆时针旋转的。
关于正反桨:
正桨:俯视逆时针旋转(CCW)
反桨:俯视顺时针旋转(CW)
这是分辨螺旋桨型号的具体方法。通常每种电机都有其适配的螺旋桨。对于某一种电机而言,螺旋桨过大或过小都不太适宜。多轴飞行器的操纵主要依靠改变电机的转速,通过让每个螺旋桨产生不同的升力来实现操纵。
电机通常被称作马达,它能够把电能转变为机械能,促使螺旋桨进行旋转,进而产生推力。在微型无人机里所使用的动力电机可以划分成两类,分别是有刷电动机和无刷电动机。而有刷电动机因为其效率比较低,在无人机这个领域已经逐渐不再被使用了。还有一个最主要的区别是,无刷电机需要用交流电来驱动,所以外面需要接上一个电子调速器;而有刷电机用直流电就可以将其驱动。
电动机型号的含义主要依据尺寸。例如,有刷 370 电机,其不包含轴的长度为 37mm;无刷外转子 2208 电机,其定子线圈直径为 22mm,不包含轴电子线圈的高度为 8mm。有些型号是指相当于某级别,还有些是厂家自行命名的。电动机的技术指标较为繁多,其中与无人机动力特性联系最为紧密的有两个,分别是转速和功率。转速通常用 kV 来进行表示,这里所说的 kV 指的是每伏特(V)能够达到的空载每分钟转速。例如,当使用某电机且电池为 11.1V 时,电机转速应为 11.1×1000 = 转/分钟。也就是说,每增加 1V ,电机的空载转速就会增加 1000 转。
电子调速器能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。
动力电机有一个调速系统,这个系统被称为电调,全名称是电子调速器,英文表达为 ,简称 ESC 。因为动力电机不同,所以电调分为有刷电调和无刷电调。它能够依据控制信号来调节电动机的转速。在多旋翼无人机中,它们的连接一般是这样的:
(1)电调的输入线与电池连接;
(2)电调的输出线(有刷两根、无刷三根)与电机连接;
(3)电调的信号线与遥控器接收机连接。
另外,电调通常具备电源输出功能(BEC)。也就是说,在信号线的正负极之间,会有大约 5V 的电压输出。借助信号线,电调可以为接收机以及舵机提供电力。一般而言,电调都具有以下这些功能:
1、整流,将电源的直流电变为交流电
2、稳压,在信号线的正负极之间有5V左右的稳定电压输出
3、调速,通过改变电流来改变电机的转速
4、检测,检测电机是否完好以及是否有遥控器信号
5、换向,改变电机转向
动力电源的作用是为多旋翼无人机提供能量,它与无人机的悬停时长、最大负载重量和飞行距离等重要指标有着直接的关联。一般会用化学电池来充当电动无人机的动力电源,主要有镍氢电池、镍铬电池、锂聚合物以及锂离子动力电池。而前两种电池,由于其重量较重且能量密度较低,如今基本上已经被锂聚合物动力电池所替代了。锂聚合物电池的标称电压为 3.7V,满电电压是 4.2V,储存电压是 3.8V,放电后的保护电压为 3.6V。电池的放电能力用倍率(C)来表示,意思是按电池的标称容量能达到的最大放电电流。比如,一个 10C 的电池,最大放电电流可达 10 安培(A)。这种电池通常是由多块电芯串联而成的。比如 3S 锂电池,是由三块电芯串联得到的。这种电池的放电倍率一般能够做得很大,然而充电倍率通常不会超过 5C。
2)飞控系统
主控单元是飞行控制系统的核心。通过它,能将 IMU、GPS 指南针、舵机和遥控接收机等设备接入飞行控制系统,以此实现飞行器的自主飞行功能。除了辅助飞行控制之外,部分主控器还具备记录飞行数据的黑匣子功能。
2. IMU(惯性测量单元):
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它们在飞机上起到的作用是什么呢?这三轴究竟是哪三个轴呢?三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴地磁传感器中的三轴,指的是飞机的左右轴、前后轴以及垂直方向轴。在飞机中,左右方向被称作横滚,前后方向被称作俯仰,而垂直方向就是 Z 轴。一般会用 XYZ 来代表这三个轴。陀螺大家都知道,小时候大多都玩过。它不转动时很难站在地上,只有转动起来才会站立在地上。就像自行车,轮子越大越重的车子越稳定,转弯时能明显感觉到一股阻力,这就是陀螺效应。根据陀螺效应,聪明的人们发明出了陀螺仪。最早的陀螺仪是一个高速旋转的陀螺。这个陀螺通过三个灵活的轴被固定在一个框架中。无论外部框架如何转动,中间高速旋转的陀螺始终保持一个姿态。通过三个轴上的传感器,就能够计算出外部框架旋转的度数等数据。
因为成本高且机械结构复杂,所以现在都被电子陀螺仪所代替。电子陀螺仪的优势在于成本低,其体积小、重量轻,仅有几克重,并且稳定性和精度都比机械陀螺要高。说到这里,大家也就能够明白陀螺仪在飞控中所起到的作用了,它是用来测量 XYZ 三个轴的倾角的。三轴加速度计是干什么的呢?之前提到三轴陀螺仪有 XYZ 三个轴,由此可知三轴加速度计也是 XYZ 三个轴。当开车起步时,我们会感到背后有一股推力,这股推力就是加速度。加速度是速度变化量与发生这一变化时间的比值,它能描述物体变化的快慢,单位是米每二次方秒。比如一辆车处于停止状态时,其加速度为 0。起步后,从每秒 0 米加速到每秒 10 米,用时 10 秒,这就是该车的加速度。若车速以每秒 10 米的速度行驶,其加速度就是 0。同样,用 10 秒时间减速,从每秒 10 米减速到每秒 5 米,那么它的加速度就是负数。三轴加速度计就是测量飞机XYZ三个轴的加速度。
我们日常出行依靠路标或记忆来确定自己前进的方向。地磁传感器的作用是感知地磁,它就如同一个电子指南针。通过地磁传感器,飞机能够知晓自己的飞行朝向以及机头朝向,从而找到任务位置和家的位置。气压计是用来测量当前位置的大气压的。大家都知道高度越高,气压就越低,这就是人到高原后会有高原反应的原因。气压计通过测量不同位置的气压,计算压差,从而获得当前的高度。整个 IMU 惯性测量单元就是这样工作的,它在飞机中起到的作用是感知飞机姿态的变化,比如飞机当前是前倾还是左右倾斜,机头朝向以及高度等最基本的姿态数据。
GPS 指南针模块包含 GPS 模块和指南针模块,它能够用来精确地确定飞行器的方向以及经纬度。
LED 指示灯模块可用于实时显示飞行状态,在飞行过程中是必不可少的,它能够帮助飞手实时知晓飞行状态。
3)视频系统
1. 摄像机:拍摄无人机飞行路径上的画面。
云台通常分为二轴云台和三轴云台。云台作为相机或摄像机的增稳装置,能够提供两个方向的增稳控制,也能够提供三个方向的增稳控制。
图传的作用是把无人机在空中拍摄的画面实时且稳定地发射给地面图传遥控接收显示端,以供操控者观看。无人机图传系统,是运用合适的视频压缩技术、信号处理技术、信道编码技术以及调制解调技术,把现场无人机所搭载的摄像机拍摄到的视频通过无线方式实时传送到远距离后方的一种无线电子传输设备。
按设备类型分类,通常可分为模拟图传和数字图传两大类。早期图传设备采用模拟制式,其特点是图传发射端与接收端在一个频段工作,就能收到画面。数字图传所传输的视频质量和稳定性远优于模拟图传系统,因此在工业级应用中通常采用数字图传。
4)遥控系统
控制无人机的方法有很多种。其中最传统的一种是遥控器。还有一种是地面站使用的数传电台。另外,还有一些不是特别主流的方式,比如蓝牙、wifi 以及 3G/4G 等。
无人机遥控器通常是成对售卖的,其中有一个是发射机,另一个是接收机。它们必须配对后才能使用。不同厂家生产的发射机和接收机可能无法通用,所以在购买时需要确认它们之间的协议是否相同。
发射机装有摇杆、旋钮和开关等器件。飞手会调整发射机上的这些器件,以此来远程控制无人机。飞手给出的控制命令会被接收机接收,接收机与飞控相连,然后将信号转递给飞控。
遥控器存在美国手和日本手的说法。美国手与日本手指的是无人机的操控方式,其中美国手为左手控制油门,而日本手则是右手控制油门,这对应着不同操控器油门方向杆的不同布局。
美国手又称左手油门,它指的是遥控器的左摇杆,此摇杆负责无人机的上升下降以及原地顺时针或逆时针旋转。同时,遥控器的右摇杆负责无人机在水平位置上的前后左右移动。
日本手,也叫右手油门。它与美国手的区别不是很大,只是把控制无人机上升下降和前进后退的操作进行了对调。即左摇杆负责无人机的前进后退以及原地顺时针或逆时针旋转;而遥控器的右摇杆则负责无人机的上升下降和左右移动。
有一种手被称作“反美国手”,它与“美国手”是完全相反的。遥控器的左摇杆,其作用是负责无人机在水平位置上进行前后左右的移动;遥控器的右摇杆,其作用是负责无人机的上升下降以及在原地进行顺时针或逆时针旋转。
几种操作方式不存在好坏和难易的差别,只是不同的人有不同的习惯而已。倘若你不知道该如何进行选择,那么就选择美国手吧,因为使用美国手的人较多,在淘汰之后也更容易出手。
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