揭開多旋翼無人機的神秘面紗（上）

姜連濤

無人機在民用上應用最廣泛的主要有三大類：多旋翼無人機、固定翼無人機和無人直升機。作為當今最受歡迎的無人機——多旋翼無人機，通過近些年的快速發展，多旋翼無人機已經占據了民用無人機行業的半壁江山，從行業應用到個人娛樂，出現在社會生活的各個方面。那么，多旋翼無人機究竟是憑借什么成為無人機中的明星呢？讓我們一起來看看吧！

多旋翼無人機也叫多軸飛行器，是一種具有三個及以上旋翼軸的特殊的無人駕駛旋翼飛行器，圖1所示即為八旋翼無人機。多旋翼無人機是一種特殊的直升機，多旋翼無人機可以像常見直升機一樣垂直起降和懸停，但在機械結構上卻比直升機簡單很多，因此便于小型化、批量化生產，同時在操作控制上也容易許多。多旋翼無人機體積小、重量輕、攜帶方便，出現飛行事故時破壞力小。有些小型多旋翼飛行器的旋翼還帶有保護框，防止高速旋轉的螺旋槳傷到人。

多旋翼無人機通過每個軸上的電機轉動，帶動螺旋槳旋轉，從而產生升推力。通過改變不同螺旋槳之間的相對轉速，可以改變單軸推進力的大小，從而達到控制飛行器的目的。常見的多旋翼無人機有四旋翼、六旋翼、八旋翼等結構布局。

一架多旋翼無人機究竟由哪些部件組成？各個部件又能起到什么作用呢？了解這些知識，可以讓我們更加明白無人機的飛行和操縱原理。接下來，我們將以多旋翼無人機最典型的結構布局——四旋翼無人機為例，揭開多旋翼無人機的神秘面紗！

多旋翼無人機主要包括以下幾個部分：機體結構、動力系統、飛控系統、鏈路系統，以及任務設備。下面，我們分別介紹這些多旋翼無人機部件。

無人機的機體結構是其他所有機載設備的載體，主要包括機架、支臂、起落架。簡單來說，無人機的機體結構就是當我們見到一架無人機時，它呈現的外形結構殼體，其他所有的部件都會裝載到機體上。

無人機的機架類似于人體的骨骼，主要是裝載機載設備、動力電池。同時它是其他部件的安裝基礎，支臂、起落架都要安裝在機架上。如圖2所示。

無人機的支臂是機架結構的延伸，也就是我們常說的軸，它一頭連接機架，一頭用來安裝電機。如圖3所示。

無人機的起落架，又叫腳架，主要用來停放無人機，也可以保護機架下方的任務設備，比如云臺、相機。有些無人機的起落架是可以收放的。如圖4所示。

值得注意的是，現在很多多旋翼無人機的機架、支臂、起落架是一體結構，不可分開，這樣可以有效減少連接部件數量，減輕無人機重量，從而增加飛行時間，比如大疆“精靈”無人機。

多旋翼無人機的機體可以有許多種布局形式。從數量上說，有四旋翼、六旋翼、八旋翼等；從機體結構上說，有“+”形、“X”形、“Y”形等等。

“+”形布局的四旋翼無人機是最早出現的結構類型，“+”形布局的無人機飛控開發難度低，其前后左右飛行控制簡單，但是由于無人機前飛時，前方螺旋槳非常容易進入到拍攝畫面中，所以目前已經被“X”形布局無人機取代。

“X”形布局的無人機是目前最常見的結構形式，該結構無人機飛行時反應迅速、動力強勁，不止是四旋翼無人機，六旋翼無人機和八旋翼無人機也多采用這種布局形式。

多旋翼無人機的動力系統主要包括：螺旋槳、電機、電調和動力電池。對于一架四旋翼無人機來說，動力系統有四個螺旋槳、四個電機、四個電調和動力電池。動力系統是一架多旋翼無人機的關鍵配置，這四個部件之間依次相連，并且相互之間有著特殊的制約關系，并不是可以隨心所欲地搭配，合理的搭配可以發揮出最佳的動力，不合理的搭配不但會造成動力欠佳，嚴重的還會燒毀電機或者電調，造成飛行事故。

1. 螺旋槳

螺旋槳是安裝在電機上產生升推力的部件，螺旋槳旋轉得越快，升推力相對也就越大。不同型號的螺旋槳有不同的直徑和不同的螺距。螺旋槳的直徑就是指槳的長度，而螺距是指螺旋槳旋轉一圈上升的距離，可以用一顆螺絲釘來類比，螺絲釘擰一圈，也會前進一定的距離，也可以用瓶蓋來類比，就是擰瓶蓋一圈瓶蓋移動的距離，如圖5所示。直徑和螺距是用四位數字表示的，比如8043，前兩位表示直徑為8英寸，后兩位表示螺距為4.3英寸，要注意單位是英寸（1英寸=2.54厘米），如圖6所示。

此外，螺旋槳還分為正槳和反槳。從上往下看，逆時針旋轉的螺旋槳是正槳，順時針旋轉的螺旋槳是反槳，如圖7所示。之所以將逆時針旋轉的槳定義為正槳，是因為在航空發展的早年，發動機在機頭處，螺旋槳也相應地在機頭位置，并且在發動機啟動時，是需要人來撥動的，而右撇子的人比較適合撥動逆時針旋轉的槳。眾所周知，右撇子還是占據人口的大多數，所以各大發動機廠商就把發動機的轉向固定了，這一習慣也就慢慢地流傳下來了。那么，我們在自己動手安裝槳葉的時候，一定要注意區分正、反槳，千萬不能裝錯。無論正槳還是反槳，安裝的時候，一定記得有數字標識的一面是正面，圓潤的一邊是迎風邊。

無人機的螺旋槳的材料主要有三種：工程塑料、木質和碳纖維。

對于微型無人機來說，工程塑料槳是使用最廣泛的，其主要優點是成本低，韌性好，動平衡性能好，輕微碰撞之后不容易損壞；但其缺點也很明顯，塑料槳本身比較軟，所以用在大載重的多旋翼無人機上進行高速飛行時會發生輕微的變形，產生震顫，導致拍攝出的畫面不穩。但選用高質量的塑料槳可以有效避免這一情況發生，圖7所示即為工程塑料槳。

木槳硬度高重量輕，震動極小，靜平衡完美，無震顫，價格便宜，但效率低于工程塑料槳，也低于同尺寸優質的碳纖維槳，圖8所示為木槳。

碳纖維槳效率高于木槳，硬度高，強度高，不變形，效率高，震顫極小，但是價格高，極脆易折，圖9所示為碳纖維槳。

大家都知道，無人機的螺旋槳是安裝在電機上的。螺旋槳要想旋轉起來帶動無人機起飛，必須由電機帶動，并且電機的轉速快慢將會直接決定無人機的飛行狀態。要知道，無人機可是飛行在天上的，和地面的汽車不同，汽車如果發生發動機故障，后果一般不會很嚴重，但是如果飛行在天上的無人機電機發生故障停轉，那是會墜落的，將會造成很嚴重的危險后果。所以，無人機的電機是很重要的部件，飛行之前也要仔細檢查電機有沒有故障。

無人機所使用的電機多種多樣。首先在大小上就有很多種，有的細而長，有的粗且短。這些在大小上的區分會標示在電機的殼體上，和螺旋槳類似，也是由四位數字組成，比如2204，前面兩位表示的是電機定子的直徑為22mm，后面兩位表示的是電機定子的高度4mm，注意單位是毫米。看懂這個標識，你就可以馬上分辨出電機的大小了。其次，電機還有一個重要的參數叫作KV值，表示的是電機在空轉時每增加1V電壓所增加的轉速值。空轉是什么意思呢，就是在電機沒有裝上螺旋槳的情況下轉動。在裝上螺旋槳后，電機轉速會相應降低。

電調是電子調速器的簡稱，英文名是ESC，如圖12所示。我們從它的名字上就可以看出，電調主要是用來調速的。它調的是什么“速”呢？很顯然，是電機的轉速。電機的轉速將會直接表現在螺旋槳的轉速上，相應地也就會影響無人機的飛行狀態。那么根據什么來調整轉速呢？當然是根據我們給無人機的指令來調整轉速。

電調和電機是直接相連的，所以在選擇搭配電機和電調時，要注意匹配問題，合理地匹配電機電調，可以做到效率和性價比最高，也就是用最少的成本達到最好的效果。要是搭配不合理，很有可能造成電機或電調燒毀，發生飛行事故。

說到電池，大家都不陌生，因為我們在日常生活中會使用到很多電池。但是，你有沒有仔細觀察過你身邊的電池呢？我們來思考一個問題：電視遙控器的電池和手機里的電池是不是一樣的呢？和我們無人機用的電池又是不是一樣呢？

電池有很多種，無人機所使用的電池和我們在日常生活中見到的電池大都不一樣，是鋰聚合物電池（圖13）。別小看這一塊小小的電池，它蘊含著很大的能量，無人機所需要的電力都是由它來供應的。鋰聚合物電池的能量很大，但是它的“脾氣”也很大，在使用過程中，要注意保護它，它才能發揮最大的作用。怎樣保護它呢？第一，要注意在充電和使用過程中，不能過度充電和過度放電，一旦過度充電或過度放電了，它可能會生氣地脹大肚子，造成使用壽命縮短，所以要用專用的充電器給它充電。第二，在使用的時候要注意不要磕碰它，磕碰會讓它變形，很可能會使它鼓包炸開！還有，千萬不能用尖銳的東西刺它，不能用火燒它！

（編輯 孫世奇）