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從零開始了解無人機丨無人機的基本構成與作用原理

1)動力系統

目前大型、小型、輕型無人機廣泛采用的動力裝置為活塞式發動機系統。而出于成本和使用方便的考慮,微型無人機中普遍使用的是電動動力系統。

1. 螺旋槳:無人機産生推力的主要部件,常見的多旋翼無人機一般搭配4個螺旋槳,兩個順時針旋轉,兩個逆時針旋轉。

關于正反槳:

正槳:俯視逆時針旋轉(CCW)

反槳:俯視順時針旋轉(CW)

這是螺旋槳型号的具體分辨的方法,一般每一種電機都有它适配的螺旋槳,對于一種電機來說螺旋槳過大或過小都不太好,多軸飛行器的操縱主要就是依靠改變電機的轉速,使每個螺旋槳産生不同的升力來進行操縱。

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2. 電機:俗稱馬達,能将電能轉化為機械能,帶動螺旋槳旋轉,從而産生推力。在微型無人機當中使用的動力電機可以分為兩類:有刷電動機和無刷電動機。其中有刷電動機由于效率較低,在無人機領域已逐漸不再使用。有刷電機和無刷電機在外觀上的主要區别就是:有刷電機是裡面的電刷在轉動被稱為轉子,外面不轉的永磁體被稱為定子,無刷電機是裡面的電刷不轉被稱為定子,外面的永磁體轉動被稱為轉子。當然還有一個較 主要的區别就是無刷電機需要用交流電來驅動所以外面需要接上一個電子調速器而有刷電機直流電就可以将其驅動。

無刷電機型号的含義:電動機的型号主要以尺寸為依據。比如,有刷370電機,是指它不包括軸的長度是37mm;無刷外轉子2208電機是指它定子線圈的直徑是22mm,不包括軸電子線圈的高度是8mm。當然有一些型号是說它相當于某級别的,還有一些是廠家自己命名的。電動機的技術指标很多,與無人機動力特性較 相關的兩個是轉速和功率。轉速一般用kV來表示,所謂kV是指每伏特(V)能達到的空載每分鐘轉速。比如,使用kV1000的電機,11. 1V電池,電機轉速應該是1000x11. 1=11100.即每分鐘11100轉。即每增加1V電機空載轉速增加1000轉。

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3. 電子調速器:不僅可以調節電機轉速,也可以為遙控接收器上其他通道的舵機供電,還能将電池提供的直流電轉換為可直接驅動電機的三相交流電。

動力電機的調速系統稱為電調,全稱為電子調速器,英文為Electronic SpedCotoller,簡稱ESC 。針對動力電機不同,可分為有刷電調和無刷電調。它根據控制信号調節電動機的轉速。對于它們在多旋翼無人機中的連接,一般情況如下:

(1)電調的輸入線與電池連接;

(2)電調的輸出線(有刷兩根、無刷三根)與電機連接;

(3)電調的信号線與遙控器接收機連接。

另外,電調一般有電源輸出功能(BEC),即在信号線的正負極之間有5V左右的電壓輸出,通過信号線為接收機及舵機供電。一般電調都具有以下幾個功能:

1、整流,将電源的直流電變為交流電

2、穩壓,在信号線的正負極之間有5V左右的穩定電壓輸出

3、調速,通過改變電流來改變電機的轉速

4、檢測,檢測電機是否完好以及是否有遙控器信号

5、換向,改變電機轉向

從零開始了解無人機丨無人機的基本構成與作用原理


4. 動力電源:為多旋翼無人機提供能量,直接關系到無人機的懸停時長、較 大負載重量和飛行距離等重要指标。通常采用化學電池來作為電動無人機的動力電源,主要包括:鎳氫電池,鎳鉻電池,锂聚合物,锂離子動力電池。其中前兩種電池因重量重,能量密度低,現已基本被锂聚合物動力電池所取代。锂聚合物的電池的标稱電壓是3.7V,滿電電壓是4.2V,儲存電壓是3.8V,放電後的保護電壓為3.6V。電池的放電能力是以倍率(C)來表示的,它的意思是說按照電池的标稱容量較 大可達到多大的放電電流。例如,一個1000mAh、10C 的電池,較 大放電電流可達1000x10=10000毫安,即10安培(A)。一般這種電池都是由好幾塊電芯串聯到一起的,例如,3S锂電池,就是由三塊電芯串聯到一起得到的。一般這種電池的放電倍率可以做到很大,而充電倍率一般不超過5C。

從零開始了解無人機丨無人機的基本構成與作用原理


2)飛控系統

從零開始了解無人機丨無人機的基本構成與作用原理


1. 主控單元:飛行控制系統的核心,通過它将IMU、GPS指南針、舵機和遙控接收機等設備接入飛行控制系統從而實現飛行器自主飛行功能。除了輔助飛行控制以外,某些主控器還具備記錄飛行數據的黑匣子功能。

2. IMU(慣性測量單元):

(友情提示:太長不看,請往下拉)

現在的飛控内部使用的都是由三軸陀螺儀,三軸加速度計,三軸地磁傳感器和氣壓計組成的一個IMU,也稱慣性測量單元。那麼什麼是三軸陀螺儀,什麼是三軸加速度計,什麼是三軸地磁傳感器呢,氣壓計?它們在飛機上起到的是什麼作用呢,這三軸又是哪三個軸呢?三軸陀螺儀,三軸加速度計,三軸地磁傳感器中的三軸指的就是飛機左右,前後垂直方向上下這三個軸,一般都用XYZ來代表。左右方向在飛機中叫做橫滾,前後方向在飛機中叫做俯仰,垂直方向就是Z軸。陀螺都知道,小時候基本上都玩過,在不轉動的情況下它很難站在地上,隻有轉動起來了,它才會站立在地上,或者說自行車,輪子越大越重的車子就越穩定,轉彎的時候*能夠感覺到一股阻力,這就是陀螺效應,根據陀螺效應,聰明的人們發明出的陀螺儀。較 早的陀螺儀是一個高速旋轉的陀螺,通過三個靈活的軸将這個陀螺固定在一個框架中,無論外部框架怎麼轉動,中間高速旋轉的陀螺始終保持一個姿态。通過三個軸上的傳感器就能夠計算出外部框架旋轉的度數等數據。

由于成本高,機械結構的複雜,現在都被電子陀螺儀代替,電子陀螺儀的優勢就是成本低,體積小重量輕,隻有幾克重,穩定性還有精度都比機械陀螺高。說到這,大家也就明白陀螺儀在飛控中起到的作用了吧,它就是測量XYZ三個軸的傾角的。那麼三軸加速度計時幹什麼的呢,剛剛說道三軸陀螺儀就是XYZ三個軸,現在不用說也就明白三軸加速度計也是XYZ三個軸。當我們開車起步的一瞬間就會感到背後有一股推力,這股推力呢就是加速度,加速度是速度變化量與發生這一變化時間的比值,是描述物體變化快慢的物理量,米每二次方秒,例如一輛車在停止狀态下,它的加速度是0,起步後,從每秒0米到每秒10米,用時10秒,這就是這輛車的加速度,如果車速每秒10米的速度行駛,它的加速度就是0,同樣,用10秒的時間減速,從每秒10米減速到每秒5米,那麼它的加速就是負數。三軸加速度計就是測量飛機XYZ三個軸的加速度。

我們日常出行都是根據路标或記憶來尋找自己的面向的,地磁傳感器就是感知地磁的,就是一個電子指南針,它可以讓飛機知道自己的飛行朝向,機頭朝向,找到任務位置和家的位置。氣壓計呢就是測量當前位置的大氣壓,都知道高度越高,氣壓越低,這就是人到高原之後為什麼會有高原反應了,氣壓計是通過測量不同位置的氣壓,計算壓差獲得到當前的高度,這就是整個IMU慣性測量單元,它在飛機中起到的作用就是感知飛機姿态的變化,例如飛機當前是前傾還是左右傾斜,機頭朝向、高度等較 基本的姿态數據。

3. GPS指南針模塊:包含GPS模塊和指南針模塊,用于*确定飛行器的方向及經緯度。

4. LED指示燈模塊:用于實時顯示飛行狀态,是飛行過程中必不可少的,它能幫助飛手實時了解飛行狀态。

3)視頻系統

1. 攝像機:拍攝無人機飛行路徑上的畫面。

2. 雲台:常用的有二軸雲台和三軸雲台。雲台作為相機或攝像機的増穩設備,提供兩個方向或三個方向的增穩控制。

3. 圖傳:将無人機在空中拍攝的畫面實時穩定地發射給地面圖傳遙控接收顯示端上,供操控者觀看。無人機圖傳系統,就是采用适當的視頻壓縮技術、信号處理技術、信道編碼技術及調制解調技術,将現場無人機所搭載的攝像機拍攝到的視頻以無線方式實時傳送到遠距離後方的一種無線電子傳輸設備。

從零開始了解無人機丨無人機的基本構成與作用原理


如果按設備的類型來分類,通常可分為模拟圖傳和數字圖傳兩大類。早期的圖傳設備都采用的是模拟制式,它的特點是隻要圖傳發射端和接收端工作在一個頻段上,就可以收到畫面。由于數字圖傳所傳輸的視頻質量和穩定性都要遠遠好于模拟圖傳系統,所以在工業級應用中通常都采用數字圖傳。

4)遙控系統

控制無人機的方法很多,較 傳統的就是遙控器了,此外地面站用的數傳電台。另外還有不是特别主流的藍牙、wifi、3G/4G等。

無人機遙控器一般成對出售,一個發射機,一個接收機。他們需要配對使用,不同廠家的發射機和接收機有可能沒法通用,在購買時需要确認他們之間的協議是否一緻。

發射機上裝有搖杆,旋鈕,開關等器件,飛手通過調整發射機上的這些器件來遠程控制無人機。飛手給出的控制命令由接收機接收,接收機與飛控相連将信号轉遞給飛控。

遙控器還有一個美國手、日本手之說。美國手與日本手是指無人機的操控方式,美國手是左手油門,日本手是右手油門,對應不同的操控器油門方向杆的不同布局。

從零開始了解無人機丨無人機的基本構成與作用原理


美國手:又稱左手油門。就是遙控器的左搖杆,負責無人機的上升下降、原地順時針/逆時針旋轉;遙控器的右搖杆,負責無人機在水平位置上的前後左右移動。

日本手:又稱右手油門。與美國手的區别其實并不大,僅在于将控制無人機上升下降與前進後退,進行了對調。也就是左搖杆負責無人機的前進後退、原地順時針/逆時針旋轉;遙控器的右搖杆,負責無人機的上升下降和左右移動。

中國手:也有人稱作“反美國手”,因為其與“美國手”完全相反,遙控器的左搖杆,負責無人機在水平位置上的前後左右移動;遙控器的右搖杆,負責無人機的上升下降、原地順時針/逆時針旋轉。

幾種操作方式并無好壞、難易之分,隻不過不同人習慣不同罷了。如果你不知道如何選擇的話,就選美國手吧,用的人多,淘汰以後也更好出手。

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