淺析多旋翼無人機

摘 要：近年來，隨著現代航空技術、智能電子技術、機器人技術及網絡技術的發展，無人機技術得到了迅速提高，在軍事和民用等領域都得到了廣泛的應用。尤其在民用領域，無人機可以代替人類完成很多繁重甚至無法正常完成的工作。本文簡要介紹了目前在民用領域較普及的多旋翼無人機的飛行原理、平臺系統構成、飛行控制、各分系統的構成特點以及自診斷修復等知識。

關鍵詞：無人機；多旋翼；導航；飛控；動力系統；診斷修復

目前，無人機按照飛行平臺構型分為固定翼、旋翼、無人飛艇、傘翼和撲翼等類型。其中旋翼無人機又分為單（雙）旋翼直升機、多旋翼無人機以及變模態旋翼機等類型。而多旋翼無人機以其機構簡單、造價低、便于小型化生產以及便于很快掌握飛行技術等優點，已廣泛應用于各類生產及生活當中。常見多旋翼無人機主要有四軸、六軸和八軸等類型。

一、飛行原理

簡單說，多旋翼飛行器是基于同一平臺上的多臺電動機帶動槳葉同時旋轉與空氣產生相對運動而獲得升力的。常用的有兩種架構模式：X字模式和十字模式 。X模式以其效率高而得到廣泛使用。多個電機對稱分布在各個軸上，并且同一條軸線上電機的旋轉方向要保證相同，相鄰的電機旋轉方向相反， 是為了克服反扭矩的影響。通過控制各個電機的轉速來完成繞橫軸（X）的俯仰、繞縱軸（Y）的橫滾以及繞豎軸（Z）的偏航等飛行動作。

二、平臺系統

主要由結構、飛控、動力和機載鏈路分系統構成。其中結構分系統主要有機架、腳架和云臺等；飛控分系統包括主控、飛控軟硬件、外接式IMU（慣性測量單元）、各類外接傳感器以及GPS天線等；動力分系統主要包括螺旋槳、電機、電調和電池；機載鏈路分系統主要有遙控接收機、機載數傳模塊天線和機載圖傳模塊天線。具體由控制、姿態測量、電源供電、無線通信、GPS衛星定位、遙控器控制、電機驅動、串口通信、地面站等模塊組成。

三、飛行控制

飛行控制器簡稱飛控，是無人機的核心構件。飛控獲得從機載接收機發出的PWM（脈寬調制）信號，隨后把該信號轉化成控制量，再經過PID（比例積分微分）調節把輸出量輸送給給各個電機來控制飛行器的動作。GPS衛星定位系統檢測到4顆以上衛星就可以配合上位機輸入對應坐標點讀取定位數據，控制系統就會自動生成航線，并且與存儲的定位坐標做實時的對比來修正航線。現在的飛控都帶有電子陀螺儀，磁羅盤，加速度計，氣壓計等傳感器，在姿態穩定的模式下，通過軟件算法來解析飛行器姿態，修正由于飛行器安裝、外界干擾、零件之間的差異等原因形成的姿態異常，幫助保持穩定狀態。一些安裝有GPS的飛控可以在遙控失控等特殊情況下自動返回起飛點。

四、動力系統

（一）電機

通常選用外轉子無刷交流同步電動機，參數主要有大小尺寸、KV值、匝數和效率。尺寸是指電機定子線圈直徑和高度，KV值是指每外加1V的電壓電機每分鐘空轉的轉速，定子線圈匝數用多少T表示，例如：9T。同等電壓下，匝數多的KV值小而扭矩大適合帶大槳；而匝數少的KV值大而扭矩小適合帶小槳。效率的標注方式是g/W（克/瓦），電機電流控制在3-5A時效率是最高， KV值越小效率越高。正常飛行時的效率保持8g/W以上，可保證良好的續航能力。

（二）電池

主要包括：鎳氫電池、鎳鉻電池和鋰聚合物電池等。前兩種電池因重量重、能量密度低已被聚合物鋰電池所取代。電池的標稱主要有電壓、容量和放電能力。放電能力用多少C表示，最大持續放電電流是電池容量乘以C，例如：5200mAh電池最大的持續放電電流就是5.2*30=156A；電池電壓由串聯的片數決定，用多少S表示，單片的充滿電壓為4.2V，額定電壓為3.7V，而終止放電電壓不得低于2.5V。例如：4S鋰電池充滿電壓為4*4.2V=16.8V，額定電壓為4*3.7V=14.8V，放電終止電壓為4*2.5V=10V。

（三）螺旋槳

螺旋槳規格由4位數字表示，前兩位數表示槳徑，后兩位數表示螺距。槳的材質主要有塑料、碳纖和木質三種。當然是選擇碳纖維槳最好，如果載重很大的話可以選擇櫸木槳。一般情況，大KV值配小槳，小KV值配大槳；同樣KV的電機，使用不同電壓的電池，用的螺旋槳也有區別，每個電機都會有一個推薦的螺旋槳；還有天熱時就要用小些的槳，防止電機過熱，而在北方冬季，可以用大些的螺旋槳來抵消電池低溫放電性能下降。

（四）電子調速器

電子調速器（ESC）簡稱電調，它是根據飛控的控制信號，將電池的直流輸入轉變為一定頻率的交流輸出，用于控制電機的轉速。電調規格標注的是其瞬時承受電流，一般要選用高于飛行器懸停電流的4～5倍。電調的供電能力是指如果電調上標注BEC5V1A，表明可以通過杜邦線向飛控或接收機提供5V電壓和5W的功率。電調接電機的三根線中任意調換兩根就可改變電機轉向，通過遙控器設置電調時一定要接上電機。

五、通訊鏈路

無人機與控制站之間的實時信息交換需要通過通訊鏈路來實現。目前，民用無人機通訊鏈路主要就3條：

一是手持遙控器（RC）與機載接收機的單向上傳鏈路（72M、433M、2.4G）；

二是筆記本電腦鏈接的數傳發射模塊與機載接收模塊的雙向通訊鏈路（900M、2.4G）；

三是機載圖傳發射模塊與地面接收模塊的單向下傳鏈路（1.2G、2.4G、5.8G）。

六、故障診斷與自修復

復雜飛行環境下的故障診斷與容錯能力可以提高無人機飛行的安全性、可靠性及早期故障的適應與防護能力，同時自診斷與自修復能力也是構成完全自主飛行控制系統的基礎。目前，不斷增大的無人機架構和其昂貴的任務設備要求無人機自我修復的最佳方案就是構造雙閉環控制系統，以保證在發生故障時可以自行啟動輔助控制，產生報警信息，從而實現自我修復保護飛行器自身安全。

當前，雖然多旋翼無人機越來越得到廣泛應用，但同時也面臨動力裝置缺陷，續航能力不足，智能化程度不夠以及機動能力差等缺點。在復雜多變的環境條件下如果缺乏人的控制干預，容易出現意外情況發生。因此，筆者認為，提高無人機續航和機動能力、更高智能自主飛行控制、決策、管理及健康診斷和自修復將成為其今后研發的重點。

作者簡介：劉遠星（1967-），男，石家莊市機械技工學校電氣專業部主任。