我是無(wú)人機(jī)小飛手多旋翼無(wú)人機(jī)的基本組成和布局（下）

北京小飛手教育科技有限公司/彭濤

復(fù)雜的飛控系統(tǒng)

三、控制系統(tǒng)

1.飛行控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)飛控，可以看作無(wú)人機(jī)的大腦，是完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)和返場(chǎng)回收等整個(gè)飛行過(guò)程的核心系統(tǒng)。不管是無(wú)人機(jī)自動(dòng)保持飛行狀態(tài)（如懸停）還是對(duì)無(wú)人機(jī)人為操作，都需要通過(guò)飛控系統(tǒng)對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。工作時(shí)，飛控可發(fā)送各種指令，并處理各部件傳回的數(shù)據(jù)，就像人體的大腦對(duì)身體各個(gè)部位發(fā)送指令那樣。一些高階的飛控系統(tǒng)除了保證無(wú)人機(jī)正常飛行導(dǎo)航功能以外，還有安全冗余、飛行數(shù)據(jù)記錄、飛行參數(shù)調(diào)整和自動(dòng)飛行優(yōu)化等功能。

飛控一般包括傳感器、機(jī)載計(jì)算機(jī)和控制舵機(jī)三大部分，以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定和控制、無(wú)人機(jī)任務(wù)設(shè)備管理和應(yīng)急控制三大類(lèi)功能。對(duì)于多旋翼無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，其主要由檢測(cè)模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊以及供電模塊組成。其中檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行量測(cè)；執(zhí)行模塊則對(duì)當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行解算、優(yōu)化控制，并對(duì)執(zhí)行模塊產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的控制量；供電模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。為實(shí)現(xiàn)這些功能，多旋翼無(wú)人機(jī)的飛控上一般會(huì)裝有加速度計(jì)、氣壓計(jì)、陀螺儀、地磁儀、定位芯片、主控芯片等多種零部件。

手持式無(wú)人機(jī)遙控設(shè)備

無(wú)人機(jī)操縱地面站

2.遙控系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)遙控系統(tǒng)，主要由遙控器、接收器、解碼器、伺服系統(tǒng)組成。遙控器是操作平臺(tái)，接收器接到遙控器信號(hào)進(jìn)行解碼，分離出動(dòng)作信號(hào)傳輸給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)則根據(jù)信號(hào)做出相應(yīng)的動(dòng)作。常見(jiàn)的遙控設(shè)備有手持遙控器和地面站兩種。此外，消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)通常還支持手機(jī)APP操縱方式。

無(wú)人機(jī)遙控系統(tǒng)一般采用2.4GHz無(wú)線(xiàn)電信號(hào)頻率，以保證足夠的傳輸距離。不同無(wú)人機(jī)間的通信協(xié)議不同，常見(jiàn)的有PWM、PPM、S-BUS、X-BUS等幾種。

四、多旋翼無(wú)人機(jī)氣動(dòng)布局分類(lèi)

多旋翼無(wú)人機(jī)常見(jiàn)的氣動(dòng)布局有“X”型、“十”型和“H”型3種。

1.“X”型

“X”型是多旋翼無(wú)人機(jī)最基礎(chǔ)、最常見(jiàn)的氣動(dòng)布局。其電機(jī)臂的分布方式為以飛行器前進(jìn)方向?yàn)橹芯€(xiàn)，向左右兩側(cè)等分角度。以四旋翼無(wú)人機(jī)為例，左前和右前機(jī)臂距機(jī)頭中線(xiàn)的夾角均為45°，左后和右后機(jī)臂距機(jī)尾方向中線(xiàn)的夾角也均為45°。左右相鄰電機(jī)臂上放置轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的電機(jī)和螺旋槳，以抵消電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反扭矩。若電機(jī)臂數(shù)超過(guò)4個(gè)，則按照等分原則，以60°為夾角（六旋翼無(wú)人機(jī)）或45°為夾角（八旋翼無(wú)人機(jī)），成對(duì)增加電機(jī)臂數(shù)。

2.“十”型

“十”型多旋翼氣動(dòng)結(jié)構(gòu)是最早出現(xiàn)的布局之一。這種布局結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，只需通過(guò)改變橫豎軸向上的電機(jī)轉(zhuǎn)速，即可改變飛行器的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退和左右平移的基礎(chǔ)飛行。不過(guò)，隨著無(wú)人機(jī)航拍的興起和普及，采用“十”型布局的無(wú)人機(jī)在拍攝正面鏡頭時(shí)，螺旋槳會(huì)出現(xiàn)在畫(huà)面的視界里（俗稱(chēng)“漏槳”），造成不便。隨著飛控的性能提升，該型布局逐漸被“X”型所替代。

四旋翼的“十”型布局最簡(jiǎn)單，通常為無(wú)人機(jī)橫縱軸上各設(shè)一對(duì)電機(jī)臂。若電機(jī)臂數(shù)增加，則保證無(wú)人機(jī)縱軸（前進(jìn)后退方向）上的電機(jī)臂不變，其他電機(jī)臂以60°夾角（六旋翼）或45°夾角（八旋翼）平均分布即可。

3.“H”型

“H”型布局與“X”型氣動(dòng)布局相似，但出現(xiàn)時(shí)間最晚。其優(yōu)點(diǎn)是可將電機(jī)臂設(shè)計(jì)成折疊結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步減小無(wú)人機(jī)的體積，便于日常攜帶。但是“H”型布局的缺點(diǎn)也很明顯，即相同級(jí)別下，“H”型布局的無(wú)人機(jī)需要更大尺寸的螺旋槳，才能達(dá)到同“X”型布局無(wú)人機(jī)一樣的飛行性能，這直接導(dǎo)致了整機(jī)的重量增加。

“X”型旋翼氣動(dòng)布局與電機(jī)轉(zhuǎn)向示意圖

“十”型旋翼氣動(dòng)布局與電機(jī)轉(zhuǎn)向示意圖

采用“H”型布局的無(wú)人機(jī)

采用八旋翼結(jié)構(gòu)的大型無(wú)人機(jī)

采用四旋翼結(jié)構(gòu)的消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)

五、多旋翼無(wú)人機(jī)常見(jiàn)分類(lèi)

常見(jiàn)的無(wú)人機(jī)有四旋翼、六旋翼、八旋翼幾種。其中，四旋翼是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、飛行效率較高的多旋翼結(jié)構(gòu)，也是目前市場(chǎng)上保有量最多的多旋翼無(wú)人機(jī)類(lèi)型。但是，四旋翼無(wú)人機(jī)沒(méi)有動(dòng)力冗余設(shè)計(jì)，在飛行中只要有一個(gè)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)人機(jī)都會(huì)出現(xiàn)失控的情況。六旋翼無(wú)人機(jī)相較于四旋翼無(wú)人機(jī)，增加了動(dòng)力冗余，提高了飛行的安全性，即便出現(xiàn)電機(jī)停轉(zhuǎn)（不超過(guò)2個(gè)）的情況，仍然可以安全降落。而對(duì)于任務(wù)載荷要求較高的大型多旋翼機(jī)型，在設(shè)計(jì)時(shí)為增加飛行效率，通常會(huì)采用8個(gè)甚至16個(gè)旋翼的設(shè)計(jì)方式。

那么，旋翼的數(shù)量到底多少才是最好的？這個(gè)問(wèn)題可以從以下幾方面綜合考慮。

1.穩(wěn)定性

對(duì)于多旋翼飛行器來(lái)說(shuō)，飛行時(shí)能夠參與控制的量（電機(jī)數(shù)）越多，飛行控制越精細(xì)。此外，旋翼數(shù)越多，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)故障的容錯(cuò)率就越高，即飛行器擁有更多的動(dòng)力備份，保證其在突發(fā)狀況下仍具有平穩(wěn)降落的能力。從這個(gè)角度看，八旋翼無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性無(wú)疑是最佳的。

2.設(shè)計(jì)難度

隨著旋翼數(shù)量的增加，每個(gè)旋翼間的距離會(huì)變小，可供設(shè)計(jì)布局的空間會(huì)減小。對(duì)于四旋翼無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，其機(jī)臂的長(zhǎng)短、選用螺旋槳的尺寸種類(lèi)繁多，可根據(jù)飛行環(huán)境、任務(wù)需要進(jìn)行不同搭配。而八旋翼無(wú)人機(jī)為避免螺旋槳干涉，電機(jī)臂尺寸通常不能過(guò)短，但增加電機(jī)臂會(huì)增大整機(jī)重量，螺旋槳尺寸也不能設(shè)計(jì)得過(guò)小。另外，旋翼臂增加后，其很難設(shè)計(jì)成折疊的樣式，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)占用空間更大，運(yùn)輸和存儲(chǔ)不便。這樣看來(lái)，四旋翼無(wú)人機(jī)的靈活性更高一籌。

綜上，對(duì)于無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，應(yīng)根據(jù)其實(shí)際用途來(lái)選擇旋翼數(shù)。通常消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)更適合四旋翼結(jié)構(gòu)，而對(duì)載荷有一定要求的無(wú)人機(jī)，如植保無(wú)人機(jī)等，則可選擇六旋翼或八旋翼機(jī)構(gòu)。