无人机硬件与结构设计-ppt课件.ppt

1、Success Always Belongs To Those Prepared!无人机硬件与结构设计常见无人机分类（a a）固定翼）固定翼优点：续航时间最长、飞行效率最高、载荷最大缺点：必须要助跑，降落的时候必须要滑行（b b）直升机）直升机优点：垂直起降缺点：续航时间没有优势，机械结构复杂、维护成本高（c c）多旋翼）多旋翼优点：垂直起降、机械结构简单、易维护缺点：载重和续航时间都更差2ppt课件固定翼 模型飞机一般与载人的飞机一样，主要由机翼、尾翼、机身、起落架和舵机等组成。3ppt课件固定翼的重要组成部分及相关职能1、机翼(由主翼及副翼两部分组成)是模型飞机在飞行时产生升力的装置，并能

2、保持模型飞机飞机飞行时的横侧安定，可控制飞机做出横滚等动作。2、尾翼（由水平安定面及升降舵两部分组成）和垂直尾翼（由垂尾安定面及方向舵两部分组成）两部分。水平尾翼可保持模型飞机飞行时的俯仰安定，垂直尾翼保持模型飞机飞行时 的方向安定。水平尾翼上的升降舵能控制模型飞机的升降， 垂直尾翼上的方向舵可控制模型飞机的飞行方向。3、螺旋桨和发动机它是固定翼飞机产生飞行动力的装置。4、舵机与遥控器接收机搭配一起使用，执行遥控器发射的指令。主要参数是扭力、灵敏度、重量、尺寸。一般一架固定翼汽油飞机至少需要配6个舵机（副翼2个、升降舵2个、方向舵1个、油门1个）。 4ppt课件直升机 机翼螺旋桨：同轴双桨（抵

3、消反扭矩）、水平尾翼和垂直尾翼、起落架、发动机、机身和操纵控制部分组成。5ppt课件多旋翼和四旋翼 除了机械结构上的差异，一个是4组动力系统，一个是6组动力系统，无本质区别，都是3个力矩和1个拉力，六旋翼控制分配更灵活。6ppt课件无人机和航模7ppt课件四旋翼无人机硬件总体介绍即即“飞控板飞控板”8ppt课件PX4硬件构成9ppt课件多旋翼机身布局绿色为一组电机，灰色为一组电机10ppt课件十 、X 模式无人机飞控方向一致飞控方向一致一组电机控制单轴运动一组电机控制单轴运动 灵活灵活两组电机同时控制单轴运动两组电机同时控制单轴运动 稳定稳定11ppt课件四旋翼旋翼机架基本结构相同轴距下的环抱

4、式无人机机架和开放式无人机机架。环抱式无人机机架安全适合教学，但是续航比开放式低一些。12ppt课件轴距 轴距是指对轴两个电机之间的距离，通常是用来衡量四旋翼尺寸的重要参数。根据轴距我们才能进行电机和桨叶的选型。轴距越大，桨叶越大，升力越大，需要的转速就降低。13ppt课件机架材料选型高稳定性高转换率刚度大14ppt课件机架起落架起落架起落架 支撑四旋翼的重力 减小起飞时的地效 消耗和吸收四旋翼在着陆时的撞击能量15ppt课件动力系统桨叶作用1）螺旋桨是直接产生多旋翼运动所需的力与力矩的部件。2）合适的螺旋桨对提高多旋翼性能和效率有着直接的影响。 考虑到电机效率会随螺旋桨尺寸变化而变化，所以合

5、理匹配的螺旋桨可以使电机工作在更高效的状态，从而保证在产生相同拉力情况下消耗更少的能量，进而提高续航时间。16ppt课件动力系统桨叶提供同样拉力的情况下，两桨叶比三桨叶尺寸大两组正牙，两组反牙抑制自旋转桨叶型号含义（例1045）1045的含义是，螺旋桨的直径是10英寸，螺距是4.5英寸。螺距是什么呢？假设螺旋桨在一种不能流动的介质中旋转，那么螺旋桨每转一圈，就会向前进一个距离，就称为螺距或桨距（Propeller Pitch）。17ppt课件动力系统桨叶材质及选型 转动惯量越小，控制起来更灵敏。更重要的是，螺旋桨的转动惯量越小，改变转速所消耗的能量就越小，因此能提高飞行效率。因此，为了减少转动

6、惯量，在不改变外形和强度的前提下，有些特制的螺旋桨内部材质还会进一步设计。一般有碳纤维、塑料、木制等材料。碳纤维桨比塑料桨贵几乎2倍。以下是碳纤维桨的优势: 碳纤维桨刚性较好，因此产生振动和噪音较少 较塑料桨，更轻，强度更大 适用于高KV值电机，控制响应比较迅速。然而，当发生坠机时，因为碳纤维桨刚性强，电机将吸收大部分的冲击力。木桨一般更重，也更贵，比较适用于较大载重的多旋翼。18ppt课件动力系统无刷电机有刷电机有刷电机无刷电机无刷电机19ppt课件动力系统无刷电机常见模型用有刷、无感无刷、有感无刷电机对比。20ppt课件动力系统无刷电机1、没有碳刷，理论上转子无需和外界有导体上的链接。2、

7、在运行过程中，无刷电机的转速是靠交流电的频率决定的，所以频率越高无刷电机可以转得越快。3、无刷电机的转速是严格按照KV值设定的，1000KV表示每一伏特供电，电机转速加快1000转。所以电压为5V时，1000kv的无刷电机转速5000rpm。4、在运行过程中，同样转速电机的扭力是靠电调输出的电流强度决定的，电流越大扭力越大。(理想状态下，我们“聪明”的无刷电调会不断“监测”我们的电机是否需要更大的扭力，同时也会保证扭力不过剩，以免浪费表情)21ppt课件动力系统无刷电机命名 相对有刷电机，无刷电机的命名好理解很多，只和它的尺寸有关。电机的尺寸取决于定子的大小，由一个四位数字来表示。例如2205

8、（或写成2205）电机，前两个数字代表定子直径（单位mm），后两个数字代表定子高度（单位mm），因此2205电机表示电机定子直径是22mm，定子高度为5mm。22ppt课件动力系统无刷电机23ppt课件动力系统无刷电机24ppt课件动力系统无刷电机单只电机在满载运行时，拉力约630gBird Drone 250的机身重量为0.9kg。结合机身材料可知，电机尺寸越大，拉力与机身重量的比例约大，续航时间可增长。25ppt课件轴距与动力选择无人机起飞重量决定电机大小电机大小决定桨叶大小桨叶大小决定无人机轴距基础油门量用于抵消无人机自身重量基础油门建议不超过60%26ppt课件轴距与动力选择27ppt

9、课件桨叶与轴距选择每个旋翼之间旋转产生的涡流相互不影响，同时保持旋翼结构紧凑，推出以下公式：注： rp 为桨叶大小28ppt课件电机转向选择机头电机转向决定正反电机安装位置 电机决定正反桨的桨叶以及电调的接线电机序号与PWM标号对应29ppt课件PWM接线30ppt课件动力系统选择成品电调电调的主要参数指标有：（1）最大持续/峰值电流无刷电调最主要的参数是电调的功率，通常以安数A来表示，如10A、 20A、30A。不同电机需要配备不同安数的电调，安数不足会导致电调甚至电机烧毁。 最大持续电流指的是在正常工作模式下的持续输出电流 峰值电流指的是电调能承受的最大瞬时电流。（2）电压范围电调能够正常

10、工作所允许输入的电压范围也是非常重要的参数。一般在电调说明书上可以看到标注例如“3-4S LiPo”字样，表示这个电调适用于3到4节电芯串联的锂聚合物电池，也就是说它的电压范围为11.1V14.8V。（3）可编程性通过内部参数的设置，可以让电调最佳的性能。31ppt课件动力系统电调摘自好盈电调说明书油门行程很关键：直接关系PWM输出的物理意义。PWM精度要设置恰当，在电调允许范围内尽可能高。安全起见，电调初始化时必须取下螺旋桨！PWM输出范围： 01000 与 0100 的控制精度区别。32ppt课件动力系统电调油门行程很关键：直接关系PWM输出的物理意义。PWM精度要设置恰当，在电调允许范围

11、内尽可能高。安全起见，电调初始化时必须取下螺旋桨！PWM输出范围： 01000 与 0100 的控制精度区别。33ppt课件动力系统电调桥路驱动六步换相电流流向六步换相电流波形BLHeliSuite：推荐开源电调项目：https:/ 任意交换2相 改变电机旋转方向36ppt课件机架减震板已加载减震球的高度数据未加载减震球的高度数据吸收高频的微小振动，减少给传感器带来的高频噪声。37ppt课件减震设计减振意义：（1）飞控板上的加速度传感器对振动十分敏感，而加速度信号直接关系到姿态角和位置的估计，因此十分重要。具体地： 加速度信号直接关系到姿态角和姿态角速率的估计。 飞控程序融合了加速度计和气压计

12、、 GPS数据来估计飞行器的位置。而在飞行器定高、悬停、返航、导航、定点和自主飞行模式下，位置估计很关键。（2）减振另外一个重要的作用是提高成像的质量，这样就可以不依赖云台。这对于多旋翼的小型化至关重要。38ppt课件 振动来源电机电机 电机能够平滑稳定运行； 桨夹需要和电机轴承、螺旋桨中心共轴，避免电机转动时产生偏心力；螺旋桨螺旋桨 螺旋桨平衡调节器； 螺旋桨应匹配机架型号和机体重量，并在顺逆时针旋转时具有相同的韧性； 碳纤维螺旋桨比较合适； 碳纤维螺旋桨价格低、刚度大，但旋转时存在安全隐患； 低速大螺旋桨相比于高速小桨效率更高，但是振动较大； 电机模块在不平衡升力时绕螺旋桨轴会产生扭转，所

13、以低速大桨使机架韧性更差。振动强度约束振动强度约束 1 ）一般在多旋翼横向振动强度低于0.3g，在纵向振动要求低于0.5 g。 2）实际工程中要求所有轴振动强度在 0.1g之内。39ppt课件动力系统断桨原因分析1. 在大载重下，桨叶上下挥舞会导致刚性大的桨很容易折断。2. 机身过重，导致桨叶上抬折断。40ppt课件动力系统电池 现在可用来做航模动力的电池种类很多，常见的有锂聚合物电池（LiPo）和镍氢电池（NiMh），主要源于其优良的性能和便宜的价格优势。A.电压 锂电池组包含两部分：电池和锂电池保护线路。 单节电压3.7V，3S1P表示3片锂聚合物电池的串联，电压是11.1V，其中：S是串

14、联，P表示并联。 不仅在放电过程中电压会下降，而且由于电池本身具有内阻，其放电电流越大，自身由于内阻导致的压降就越大，所以输出的电压就越小。B. 容量 电池的容量是用毫安时来表示的。 5000毫安时的电池表示该电池以5000毫安的电流放电可以持续一小时。但是，随着放电过程的进行，电池的放电能力在下降，其输出电压会缓慢下降，所以导致其剩余电量与放电时间并非是线性关系。C. 放电倍率 一般充放电电流的大小常用充放电倍率来表示，即充放电倍率=充放电电流/额定容量。 例如：额定容量为100Ah的电池用20A放电时，其放电倍率为0.2C。41ppt课件动力系统电池思考一下： 为何动力锂电池会过放，并且没

15、有过放保护？42ppt课件飞控系统 飞控系统就像无人机的心脏一般，它总控着所有外围硬件的运作、无人机的飞行状态和与地面站通讯等核心任务。BirdDrone的飞控系统主要包含了惯性传感器单元（MPU6500和LSM303D）、烧录仿真单元、高度位置信息传感器单元（MS5611（气压计）和U-Blox（GPS）、通信单元（蓝牙2.4G）与各类预留接口等。43ppt课件飞控系统的作用1） 导航。导航就是解决“多旋翼在哪”的问题。如何发挥各自传感器优势，得到准确的位置和姿态信息，是飞控系统要做的首要的事情。 2） 控制。控制就是解决“多旋翼怎么去” 的问题。首先得到准确的位置和姿态信息，之后根据任务，

16、通过算法计算出控制量，输出给电调，进而控制电机转速。 3） 决策。决策就是解决“多旋翼去哪儿” 的问题。去哪儿可能是操作手或者外界自主导航传感器决定的，也可能是为了安全，按照规定流程的紧急处理方案。44ppt课件飞行专业遥控器适用于多旋翼、固定翼、滑翔机和直升机等，每个开关和操作杆对应一个数据通道。45ppt课件遥控器信号接收机PPM解码板遥控接收机PPM解码板用于连接接收机的各个通道，并转换为符合PPM协议的数据信号进行输出。46ppt课件遥控器通讯协议（PPM） PWM信号被广泛用于舵机控制，但是它有一个明显的缺陷，就是有多少个舵机就需要多少个控制线路。而很多时候不希望线路太多，尤其是遥控

17、器的无线信号，只可能有一路通信要传递多路舵机控制信息，于是PPM信号诞生了。 PPM（脉冲位置调制）在上个世纪，航模领域中主要使用这种信号作为遥控器的主要无线通信协议，后来被用于教练线和模拟器。该信号使用多个脉冲作为一组，并以组为单位周期性发送，通过组内各个脉冲之间的宽度来传输相应通道的舵机控制信息。PPM通信协议 高电平有效。高电平电压：常见4.86V。信号周期：24ms 单个脉冲宽度：0.4ms 脉冲间距：0.9ms至2.1ms47ppt课件遥控器通讯协议（S.bus）S.bus硬件协议 S.bus使用RS232C串口的硬件协议作为自己的硬件运行基础。 使用TTL电平，即3.3V。 使用负

18、逻辑，即低电平为“1”，高电平为“0”。 波特率：100000（100k）注意：不兼容波特率115200。S.bus软件协议 每帧数据还有25字节。 每字节含有12个比特，使用1个起始位“0”，8个数据位，1 个奇校验位（8个数据位中1的数量为奇数则此位为“1”否则为“0”），两个终止位“1”。 采用LSB first方式发送，即最低有效位（二进制数据右侧）先发。 帧头：1111 0000（二进制）， 帧尾：0000 0000（二进制）。 数据：从第1数据字节起，到第22字节，一共有数据位176个，它们按照顺序分别是通道1至通道16的舵机控制数据，每个通道占11比特。取值范围是02047。 第

19、23字节我管它叫做“功能字节”，第0比特为数字通道1的值，第1比特为数字通道2的值，第2比特为丢帧信息，第3比特为失效保护开关，第47比特暂时保留没用。48ppt课件遥控器和接收机1）频率 常用的无线电频率是72MHz与2.4GHz， 目前采用的最多的是2.4GHz遥控器。 2.4GHz技术属于微波领域，有如下几个优点：频率高、同频几率小、功耗低、体积小、反应迅速、控制精度高。 2.4G微波的直线性很好，换句话说，控制信号的避让障碍物的性能就差了 。控制模型过程中，发射天线应与接收天线有效的形成直线，尽量避免遥控模型与发射机之间有很大的障碍物（如房屋及仓库等）。2）通道 一个通道对应一个独立的

20、动作，一般有6通道和10通道。多旋翼在控制过程中需要控制的动作路数有：上下、左右、前后、旋转所以最低得4通道遥控器。3）美国手和日本手 美国手和日本手就是遥控杆对应的控制通道的设置不同。美国左手操作杆是“升降+偏航”，右手为“俯仰+滚转”。日本手则相反。目前，国内以美国手遥控器为主。49ppt课件遥控器和接收机4）油门 油门杆不会自动回中，最低点为0%油门，最高点为100%油门。这种油门主要对应的是期望的推力的大小, 称直接式油门。 还有一种油门是松手油门自动回中，属于增量式油门。 这种油门大小对应的是期望的速度大小。油门回中，多旋翼的期望速度为零，也就意味着多旋翼在当地悬停。5）遥控距离 根

21、据功率不同，遥控器控制的距离也有所不同。 遥控器上也可以使用带有功率放大（Power Amplifier， PA）模块，带有鞭状天线，可以增大操控距离。50ppt课件 云台工作原理 通过角度传感器测量角度，进一步姿态是由两台执行电动机来实现，电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位。指标参数1）重量2）负载重量3）角度控制精度 目前的云台的控制精度 都能在 0.024）最大可控转速5）可控转动范围51ppt课件地面站 地面站软件是多旋翼地面站的重要组成部分。 操作员 通过地面站系统提供的鼠标、键盘、按钮和操控手柄等外设来与地面站软件进行交互。 预先规划好本次任务的航迹，对多旋翼的飞行过程中飞行

22、状况和姿态进行实时监控和修改任务设置以干预多旋翼飞行。 任务完成后还可以对任务的执行记录进行数据分析。 可以在地面站上对多旋翼的控制参数进行在线的调参。52ppt课件视觉系统 在无人机的室外飞行中，一般使用GPS作为定位系统，而室内GPS的信号又及其微弱，所以我们采用摄像头模组组成的视觉系统作为四旋翼在室内飞行的眼镜。Bird- Vision视觉系统是搭载了锡月科技自主整合的OpenCV机器视觉库的Linux操作系统，硬件采用博通公司的BCM2837处理器（四核64位，主频为1.2GHz）以及500万像素的摄像头。用户可进行局域网在线访问并且直接采用Python语言进行最直观的视觉导航程序编写

23、，扩展性强且功能强大。53ppt课件无线接收机 飞控系统需要将实时数据与上位机进行无线通讯，所以需要无线接收机。在Bird Drone的无线通讯系统中，我们是用的是蓝牙串口通信模块， 是基于 Bluetooth Specification V2.0 带 EDR 蓝牙协议的数传模块。无线工作频段为2.4GHz ISM，调制方式是GFSK。模块最大发射功率为4dBm，接收灵敏度-85dBm，板载PCB天线，可以实现 10 米距离通信。缺点：通讯距离短，所以可以采用数传装置来远距离通信。54ppt课件数传 数传电台是指借助DSP 技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电台。采用数字信号处理、 数字

24、调制解调、 具有前向纠错、均衡软判决等功能的无线数据传输电台 。数传电台一端接入计算机（地面站软件），一端接入多旋翼飞控系统中，通讯采用一定协议进行，从而保持自驾仪与地面站的双向通讯。55ppt课件数传指标 1）频率。可选择： 433MHz或915MHz。 美洲地区可用 915 MHz，欧洲和中国等一般用 433 MHz，对915 MHz频段是禁用的。 2）传输距离一般为几百米以上至几公里 3） 传输速率通讯协议 通信协议又称通信规程，是指通信双方对数据传送控制的一种约定。只要按照一定的通讯协议，可以使得地面站软件通用起来，可以兼容不同的飞控（自驾仪）。 MAVLink通讯协议是一个为微型飞行器设计的非常轻巧的、只由头文件构成的信息编组库。 MAVLink最初由L. Meier根据LGPL（Lesser General Public License） 许可在2009年初发表。56ppt课件感谢各位的批评指正57ppt课件