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详解多旋翼无(wú)人机零部件作用

 

在多旋翼迅(xùn)速发展的同时,其(qí)相应(yīng)的零部件供应日益多样。因(yīn)为多旋翼的载重(chóng)根(gēn)据(jù)需求各不相同,所以(yǐ)对应的(de)“最优”零部件组合包括多旋翼构型(四旋翼、六旋翼(yì)还是八旋翼(yì))也各(gè)不相同。

多旋翼的动力系(xì)统由航模电池、电子调速器、直流无刷电机、螺旋桨(jiǎng)四个部分组成,各部分器件(jiàn)均具有一定(dìng)的规格和相应的性(xìng)能,所以该四部分具有相应的最佳匹配组(zǔ)合(hé)。工程经验上的“高KV值电机配小桨,低KV值配大桨”隐含(hán)的(de)就是这个道理。对于螺旋桨(jiǎng),主要考虑其尺寸规格对其(qí)升阻性能的影响。对(duì)于(yú)电机,主要(yào)考虑其(qí)不同(tóng)型号KV值的(de)不同对电机转速的影响,同时电机的性能是否(fǒu)优越(yuè)还要取(qǔ)决于(yú)其标称空载电流和空载电压、以及电枢内(nèi)阻(zǔ)。对于电调(diào),主要(yào)考虑(lǜ)其最大(dà)限(xiàn)制电流,其(qí)内阻(zǔ)对电池电压将起到一定的降压作用。对于电池,主要考虑(lǜ)其总容量大小影(yǐng)响多旋翼的(de)续航时长及(jí)其(qí)最大(dà)放电倍率(lǜ)限(xiàn)制其放电最大电流。

一(yī)、螺旋桨作用

螺旋桨是(shì)直接(jiē)产(chǎn)生推力的(de)部件,同样(yàng)是以追求效率为第(dì)一目的。匹配的电机、电调和螺(luó)旋桨搭(dā)配,可(kě)以在相(xiàng)同的推力下耗用(yòng)更少的电量,这样就能延长多旋翼(yì)的续航(háng)时间。因此,选(xuǎn)择最优的螺(luó)旋桨是提高续航时间的一条捷径。螺(luó)旋桨(jiǎng)是有正反两种方向的,因为电机驱(qū)动螺旋(xuán)桨转动时(shí),本身会产生一个(gè)反(fǎn)扭力,会导致机架(jià)反向旋转。而通(tōng)过一个电机正(zhèng)向旋转、一个电机(jī)反向旋转,可以互相抵消这种反扭力,相(xiàng)对应(yīng)的螺旋桨的方向也就相反了。

二、电机作用

多旋翼的电机主要以无刷直流(liú)电机为主,将电能(néng)转换成机械能。无(wú)刷直(zhí)流电机运转时(shí)靠电(diàn)子电路换(huàn)向(xiàng),这样就极大减(jiǎn)少了电火花对遥控无线电(diàn)设(shè)备的干(gàn)扰,也减小了噪音。它一(yī)头(tóu)固(gù)定在机架力臂的(de)电(diàn)机座,一(yī)头固定螺旋桨,通过旋转产(chǎn)生向(xiàng)下的推(tuī)力(lì)。不同大小、负载的机架(jià),需(xū)要配合不同规格、功率的电机。

三、电调作用

电调全称(chēng)电子(zǐ)调速器,英文Electronic Speed Control,简(jiǎn)称ESC。飞控板提供(gòng)的电(diàn)流(liú)无法(fǎ)直接驱动无刷(shuā)电(diàn)机,它需要(yào)通过电调最终(zhōng)控制电机的(de)转速。电调最基本的功能就是电机调速(通过飞控(kòng)板给定电(diàn)压进行(háng)调(diào)节(jiē)),其(qí)次,还可以为(wéi)遥(yáo)控接收器上其它通(tōng)道的舵机供电。而无刷电调多(duō)了一个重要功能,就是充当换相器的角色(sè),因为无刷电机没有电刷进行(háng)换相(直流电源转(zhuǎn)化为三相电源供给无(wú)刷电机,并对无刷电机起调速(sù)作用),所以需要靠电调进(jìn)行电(diàn)子换(huàn)相。当然,电调还有一些其它(tā)辅助功(gōng)能,如(rú)电(diàn)池保护,启动保护、刹车(chē)等。电调的(de)作用就(jiù)是将多旋翼飞行控制单元的控制信(xìn)号快速转变为电枢电(diàn)压大小(xiǎo)和电流的大(dà)小,以控制电机的转速。因为(wéi)电机的(de)电流是很大的(de),如果没有电调(diào)的存在,单(dān)靠电池(chí)供(gòng)电是(shì)无法给无刷直(zhí)流电机供电的,同时飞控(kòng)板又没有这么大的放(fàng)电功率,所以电调对电机而言是至关重要的驱动电路。电调的另一个作用(yòng)是为机载其他电子设备提(tí)供稳压电源。

电调都会(huì)标上多少A,如30A,50A。这是电调最大(dà)允许通过电流(liú)大小,超过该(gāi)电(diàn)流值电调会被损坏(huài)。同时(shí),电调具有(yǒu)相应内阻,其发(fā)热功率需(xū)要得(dé)到注意。有些电调电(diàn)流可以达到几十(shí)安培,发热功率是(shì)电流的平方的函数,所以电(diàn)调的(de)散热性能(néng)也十分重要,因此大规格电调(diào)内阻一般都比较小(xiǎo)。

四、电池作用

电(diàn)池主要用于(yú)提供(gòng)能量(liàng)。目(mù)前(qián)航模最大的问(wèn)题在于续航时间不够(gòu),其关键(jiàn)就(jiù)在于电池(chí)容量的大小。现在(zài)可用(yòng)来做模型动力(lì)的电池种类很多,常见的(de)有锂电池和镍氢(qīng)电池,主要(yào)源于其(qí)优(yōu)良的性能和便宜的价格(gé)优(yōu)势。然(rán)而,对于多旋翼无人机而言,电池单位(wèi)重量的能量载荷很大程度上限制了其飞行(háng)时(shí)间和任务拓展。

电池的基本特征主要(yào)有电压、放电容量、内阻(zǔ)大小(xiǎo)、放电(diàn)倍率。航模专用锂聚合物电池单节标称电压一般为3.7V,充(chōng)满电可(kě)到4.2V,一(yī)般(bān)为保证总够(gòu)电池(chí)容量及电压,可(kě)将三节电池(chí)串联使(shǐ)用(yòng)。在实际过程中,在电池的放电过程中,电池容量逐渐减小,并且研究表明(míng)在(zài)某(mǒu)些区域(yù),电池剩余容量与电池电流基本(běn)呈线性下降(jiàng)关系(xì)。而在电(diàn)池放电后期,电池(chí)容量(liàng)随电流(liú)的变(biàn)化(huà)可能是急剧下(xià)降,所以一般会设置航(háng)模电池安全电压,3.4V或者其他,视具体情况而定,确保无人机在(zài)电池耗完前有足够的电量返航。另外,不仅在放电(diàn)过程中电压(yā)会下降,而且由于电池本身(shēn)具有内阻,其(qí)放电电流越大,自身由于内(nèi)阻导致的压降就越大,所以输出(chū)的电(diàn)压(yā)就(jiù)越小。特别注意,在电(diàn)池(chí)使用(yòng)过程中(zhōng),不能使电池电量完(wán)全(quán)放完,不然(rán)会对电池(chí)造(zào)成电量无法恢复的损(sǔn)伤。

锂电池组包含两部分:电池和锂电(diàn)池保护线路(lù)。在电池组中是把多个电池串联起(qǐ)来,得(dé)到(dào)所需(xū)要的(de)工作电压。如(rú)果所需(xū)要的是(shì)更高的容量和更大的电流,那就应该把(bǎ)电池(chí)并联起来。

多旋翼的动力系统是多旋翼能(néng)量的来源,直接关系到飞(fēi)行(háng)器(qì)的悬停时间、最大(dà)负载(zǎi)重量和飞行距离等重(chóng)要的(de)指(zhǐ)标。本章从能(néng)量的角度,分析多旋翼的这些性能。总体来说(shuō),我(wǒ)们希望避免能量的损失,得到最高的系统效率,电(diàn)调、电机和电池内部电阻越小越好。为了提高(gāo)飞行(háng)器的(de)悬停时(shí)间、最大负载重量(liàng)和飞行距离,电池容(róng)量(liàng)越大越好。然(rán)而(ér)容量越(yuè)大,重(chóng)量也就越大(dà)。重量越大,反过来(lái)也会减少悬停时间、最(zuì)大负载重量和(hé)飞(fēi)行距离。有时(shí)候,设(shè)计的多旋翼根本飞不起来,或者飞起来的时间很短。

图示(shì):昆明劲鹰多旋翼无人机

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