1、多旋多旋翼翼飞飞行行器器设计与控制设计与控制第第二二讲讲多旋多旋翼翼基本基本组组成成大纲大纲22016/3/161.总总体介绍体介绍2.机机身主体身主体3.动动力系力系统统4.控控制系制系统统5.小结小结6.作业作业1.1.总总体体介绍介绍遥控器32016/3/16接收器自驾仪电池地面站机身主体+动力系统GPS多旋翼系统实物图，图片主体来源于网多旋翼系统实物图，图片主体来源于网站站http:/ 旋 桨电机自驾仪飞控板接收器GPS云台电调蜂鸣器电池多旋翼内部布局，图片主体来源多旋翼内部布局，图片主体来源于于网网站站 http:/ 机架机架（1）作用）作用多多旋翼的承载平旋翼的承载平台台，所有设备
2、都是，所有设备都是 用机架承载。因此，多旋翼的机架的好用机架承载。因此，多旋翼的机架的好 坏，很大程度上决定了这架多旋翼是否坏，很大程度上决定了这架多旋翼是否 好用。衡量一个机架的好坏，可以从好用。衡量一个机架的好坏，可以从耐耐 用性和安全性、使用方便程度、元器件用性和安全性、使用方便程度、元器件 安装是否安装是否合理合理等等方面等等方面考考察察。大疆大疆风火风火轮轮F450F450大疆大疆风火轮风火轮 F550F550零度零度H HIGHONEIGHONE四旋翼四旋翼（机机架架可折叠）可折叠）极飞极飞X650X650 v4v4 FrameFrame（机机架架可折叠）可折叠）52016/3/1
3、62.2.机机身身主体主体大疆风火轮 F450大疆风火轮 F550450mm62016/3/16550mm 机架机架（2）指标参数）指标参数1）重量）重量2）轴距）轴距（Diagonal Size）轴距轴距是指对是指对角角线两线两个个螺旋桨螺旋桨中中心的心的距距离，离，单单位通常位通常是是毫米（毫米（mm），用于），用于表达表达机架的机架的尺尺寸大寸大小小。比如。比如：大大疆疆风风火火轮轮F450，轴轴距距450mm；大大疆风火轮疆风火轮F550轴距轴距550mm。图图. .轴轴距距示意图示意图2.2.机机身身主体主体 机架机架3）材料）材料（参考（参考http:/ 聚碳酸脂聚碳酸脂丙烯酸塑料
4、丙烯酸塑料铝合金铝合金 轻木轻木密度（密度（lb/cuin）0.050.070.050.040.10.0027-0.0081刚度刚度（Msi）9.32.70.750.3810.30.16-0.9强度强度（Ksi）12015-508-168-1115-751-4.6价钱（越大越优）价钱（越大越优）1699710加工（越大越优）加工（越大越优）3767710注：注：（a）刚度。刚度。弹弹性模性模量量表示表示是是材料材料在在弹性弹性变变形阶形阶段段，其，其应应力和力和应应变成变成正正比例比例关关系；系；形形变越变越难难改变改变，刚度刚度越越大大（b）强强度度。抗。抗拉拉强度强度就就是试是试样样拉断拉
5、断前前承受承受的的最大最大标标称拉称拉应应力力72016/3/162.2.机机身身主体主体 起落起落架（架（Landing Gear）作用：作用：1）支撑多旋翼重力）支撑多旋翼重力2）避免螺旋桨离地太近，而发生）避免螺旋桨离地太近，而发生触触碰碰3）减弱起飞时的地）减弱起飞时的地效效4）消耗和吸收多旋翼在着陆时的撞）消耗和吸收多旋翼在着陆时的撞击击能量能量图图. 亿亿航航 Ghost82016/3/162.2.机机身身主体主体 涵涵道道（1）作用）作用1）保护桨叶和人身安全）保护桨叶和人身安全2）提高升力效率）提高升力效率3）减少噪音）减少噪音（2）工作原理）工作原理工作原理为：当螺旋桨工作工
6、作原理为：当螺旋桨工作 时，进风口内壁空气速度快静时，进风口内壁空气速度快静压小，而进风口外壁静压大，压小，而进风口外壁静压大，因此涵道能产生附加升力因此涵道能产生附加升力。涵道 升力螺旋桨 升力入口(inlet) 扩散段(Diffuser)(a) 涵道工作原理(b) 涵道四旋翼实物图图. 涵道涵道原理原理和和实物实物在一个流体系统，流速越快，流体 产生的压力就越小，这就是被称为 “流体力学之父”的丹尼尔伯努 利1738年发现的“伯努利定理”。图片图片来来源源http:/ 涵涵道道T-Hawk/g MAVFleye102016/3/16Flying platform （https:/ 涵涵道道
7、（3）参数）参数1)重量重量2)升力效率。实际上涵道需要升力效率。实际上涵道需要 优化设计，包括扩散段长度与优化设计，包括扩散段长度与 螺旋桨的半径比例等。设计和螺旋桨的半径比例等。设计和 优化方法可参优化方法可参见见1实际中涵实际中涵道能道能提升升力提升升力效率效率同时同时， 因为其自因为其自身的身的重量也会重量也会降低降低悬悬停停 时间。因时间。因此，此，最终的优最终的优化设化设计计需需 要进行综要进行综合考虑。合考虑。涵道 升力螺旋桨 升力入口(inlet)扩散段(Diffuser)(a) 涵道工作原理(b) 涵道四旋翼实物1 Hrishikeshavan V , Black J, Ch
8、opra I. Design and performance of a quad-shrouded rotor micro air vehicle. Journal of Aircraft, 2014, 51(3): 779-791.112016/3/162.2.机机身身主体主体 云云台台 ( Camera Stabilizer or Camera Gimbal )（1）作用）作用1）支）支撑撑多旋多旋翼翼重重力力多旋翼在飞行中产生倾斜时，云多旋翼在飞行中产生倾斜时，云台台能平能平稳稳转转 动使照相动使照相机机光轴变化平光轴变化平缓缓，有利，有利于于视频输出平视频输出平滑滑及目标检测及目标检测
9、2）减）减少少了多旋翼在飞行过程中因外部因素导致的相机抖动了多旋翼在飞行过程中因外部因素导致的相机抖动122016/3/162.2.机机身身主体主体 云云台台 ( Camera Stabilizer or Camera Gimbal )云台云台效果效果视视频频Quadcopter with stabilized GoPro gimbal （ https:/ ）132016/3/162.2.机机身身主体主体5）可控转可控转动动范围范围 云云台台 ( Camera Stabilizer or Camera Gimbal )（2）工作原理）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
10、来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。实现，电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位。（3）指标参数）指标参数1）重量）重量2）负载重量）负载重量3）角）角度度控制精度控制精度目目前前的云台的云台的的控制精度控制精度 都都 能能 在在 0.02 4）最大可控转速）最大可控转速142016/3/16图图. 云台云台工作工作原原理图理图螺 旋 桨电机自驾仪飞控板接收器GPS云台电调蜂鸣器电池多旋翼内部布局，图片主体来源多旋翼内部布局，图片主体来源于于网网站站 http:/ 螺旋桨螺旋桨（1）作用）作用1）螺旋桨是直接产生推力的部）
11、螺旋桨是直接产生推力的部件件，同样是以追求效率为第，同样是以追求效率为第 一目一目的的。2）匹配的电机、电调和螺旋桨搭配，可以在相同的推力下）匹配的电机、电调和螺旋桨搭配，可以在相同的推力下 耗用更少耗用更少的的电电量量，这这样样就能延长就能延长多多旋翼的续旋翼的续航航时时间间。因。因此此，选选 择最优的螺旋桨是提高续航时间的一条捷择最优的螺旋桨是提高续航时间的一条捷径径。162016/3/163.3.动力系统动力系统 螺旋桨螺旋桨（2）指）指标参数标参数1）型号型号假假设设螺螺旋桨在旋桨在一一种不能种不能流流动的介动的介质质中旋转中旋转，那么螺那么螺旋旋桨每转桨每转 一圈，一圈，就会向前进一
12、个距离，就称就会向前进一个距离，就称为为螺螺距距（ Propeller Pitch ）。 显然，桨叶的角度越大，螺距也越大，角度与旋转平面角度显然，桨叶的角度越大，螺距也越大，角度与旋转平面角度为为0， 螺距也螺距也为为0。螺旋桨一般。螺旋桨一般用用4个数字表示，其中前个数字表示，其中前面面2位是螺旋桨位是螺旋桨 的直径的直径，后面，后面2位是螺旋桨的螺距。比如位是螺旋桨的螺距。比如：1045桨的直径桨的直径为为10英英 寸，而寸，而螺距螺距为为4.5英寸。英寸。2）弦长）弦长弦长172016/3/163.3.动力系统动力系统 螺旋桨螺旋桨3）转动）转动惯量惯量（a）2叶桨182016/3/1
13、6（b）3叶桨图图. 螺旋螺旋桨桨实实物物图图转动惯转动惯量量越小，控制起来更灵敏。更重要的是，螺旋桨的转越小，控制起来更灵敏。更重要的是，螺旋桨的转 动惯量动惯量越小，越小，改改变转速变转速所所消耗的消耗的能能量就越量就越小小，因此，因此能能提高飞提高飞行行效效 率。因率。因此，为此，为了了减少转减少转动动惯量，惯量，在在不改变不改变外外形和强形和强度度的前提的前提下下， 有些特有些特制的螺旋桨内部材质还会进一步设计。制的螺旋桨内部材质还会进一步设计。4）桨叶数桨叶数有实有实验验表表明明2,p.65，对于多旋翼对于多旋翼，2叶桨的性能最叶桨的性能最优优。2Aaron M Harrington
14、. Optimal propulsion system design for a micro quad rotor Master dissertation. University of Maryland, USA, 2011.3.3.动力系统动力系统192016/3/16 螺旋桨螺旋桨5）安全安全转速转速安安全全转转速的计速的计算算，要保，要保证证在所有在所有可可能工况能工况下下不超过不超过最最高允高允许许 转速。转速。比如比如：APC网网站站3上上给出他们提供的多旋翼桨给出他们提供的多旋翼桨（Multi- Rotor (MR) Propellers） 的的 最最 大大 桨桨 速速 （rpm，
15、revolutions per minute，转，转/分钟）分钟）是是105000/prop diameter (inches)。以。以最常用最常用 的的10寸桨寸桨为例，为例，多多旋翼桨旋翼桨最最大桨速大桨速为为10500rpm。慢飞桨（。慢飞桨（Slow Flyer (SF) Propellers）最大桨）最大桨速速只只有有65000/prop diameter(inches)。因。因此，选此，选择择螺旋桨螺旋桨要要注意使注意使用用场场合合。3 http:/ 螺旋桨螺旋桨6）材料材料一一般般有有碳纤维碳纤维、塑料、塑料、木木制等材制等材料料。碳纤。碳纤维维桨比塑桨比塑料料桨贵几桨贵几 乎乎
16、2倍。倍。以下是以下是碳碳纤维桨纤维桨的的优优势势4: 碳纤碳纤维维桨刚性较好，因此产生振动和噪桨刚性较好，因此产生振动和噪音音较少较少 较塑料较塑料桨，更桨，更轻轻，强度，强度更更大大 适用适用于于高高KV值值电机，电机，控控制响应制响应比比较迅速较迅速。然而，然而，当当发生坠机发生坠机 时，因时，因为碳纤维桨刚性强，电机将吸收大部分的冲击力。木为碳纤维桨刚性强，电机将吸收大部分的冲击力。木 桨一般桨一般更重，更重，也也更贵，更贵，比比较适用较适用于于较大载较大载重重的多旋的多旋翼翼。4 http:/ 螺旋桨螺旋桨（3）静）静平衡和动平衡平衡和动平衡进行进行静平静平衡衡和动和动平平衡的衡的目
17、目的是的是减减少振动少振动螺旋螺旋桨静桨静平平衡衡是是指指螺旋螺旋桨桨重心重心与与轴心轴心线线重重 合时合时的平的平衡衡状态状态；而螺而螺旋旋桨动桨动平平衡是衡是指指螺螺 旋桨旋桨重心重心与与其惯其惯性性中心中心重重合时合时的的平衡平衡状状态态出现出现不平不平衡衡的情的情况况时，时，可可以通以通过过贴透贴透明明胶胶 带到带到轻的轻的桨桨叶，叶，或或用砂用砂纸纸打磨打磨偏偏重的重的螺螺旋旋 桨平桨平面（面（非非边缘边缘）来实来实现现平衡。平衡。图图. 图像图像质量质量变变差，差，jello-like(果冻果冻), wavy（波波纹纹）, warped（弯曲）弯曲）212016/3/16螺旋桨螺旋
18、桨平平衡衡器器（用（用于于静静平平衡衡）3.3.动力系统动力系统 螺旋桨螺旋桨简易简易的动的动平平衡器衡器测测量方量方法法http:/ 电机电机（1）作用）作用多旋多旋翼翼的电机的电机主主要要以以无刷直无刷直流流电电机机为主为主，将电将电能转能转换换成机成机械械能。能。无无刷直刷直流流电机电机运运转时转时 靠电靠电子电子电路路换向换向，这样这样就就极大极大减减少了少了电电火花火花 对遥对遥控无控无线线电设电设备备的干的干扰扰，也，也减减小了小了噪噪音。音。 它一它一头固头固定定在机在机架架力臂力臂的的电机电机座座，一，一头头固定固定 螺旋螺旋桨，桨，通通过旋过旋转转产生产生向向下的下的推推力。
19、力。不不同大同大 小、小、负载负载的的机架机架，需要需要配配合不合不同同规格规格、功率功率的电的电机。机。外转外转子子(Outer rotor) 电机电机232016/3/16内转内转子子(Inner rotor)电机电机图片图片来源来源http:/ 电机电机（2）工）工作原理作原理Brushless DC Motor, How it works ? https:/ 电机电机（3）指）指标参数标参数1）尺寸尺寸一般一般用用4个个数数字表字表示示，其，其中中前前面面2位位是是电机电机转转子的子的直直径，径，后后面面2位是位是电电机转机转 子的子的高度高度。简单简单地地说，说，前前面面2位越位越大
20、大，电，电机机越肥越肥，后面后面2位位越越大，大，电电机越机越高高。 又高又高又大又大的的电机电机，功率功率就就更大更大，适合适合做做大四大四轴轴。比。比如如： 2212电电机机表示表示电电机转机转 子的子的直径直径是是22mm, 电机电机转子的转子的高高度度是是12mm。2）标称）标称空空载载KV值值无刷无刷电电机机KV值定值定义义为为“ 转转速速/伏特伏特”，意意思为思为输输入电入电压压增加增加1伏伏特特，无，无刷刷电电 机机空空转转转转速速增加增加的的转速转速值值。例。例如如：1000KV电机电机，外加外加1V电电压压，电，电机机空转时空转时 每分每分钟转钟转1000转转，外加外加2V电
21、电压压，电，电机机空转空转就就2000转了。转了。单单从从KV值值，无法评无法评 价电价电机的机的好好坏，坏，因因为不为不同同KV值有值有适适用不用不同同尺寸尺寸的的桨桨。3660-1700KV3660-1700KV252016/3/16RS2205 RS2205 2302300 0K KV V3.3.动力系统动力系统262016/3/16 电机电机3）标称标称空载电空载电流流和电压和电压在在空载试验时，对电动机施加标称空空载试验时，对电动机施加标称空载载电电压压(通常通常为为10V)， 使其不使其不带任何负载空转，定子三相绕组中通过的电流，称为标带任何负载空转，定子三相绕组中通过的电流，称为
22、标 称空载称空载电流电流4）最大最大瞬时电瞬时电流流/最大持续电流最大持续电流电机电机能能承受的最大瞬时通过的电流，电机能允许持续工作承受的最大瞬时通过的电流，电机能允许持续工作 而不烧而不烧坏的最大连续电流坏的最大连续电流5）内阻内阻电机电机电电枢本身存在内阻，虽然该内阻很小，但是由于电机枢本身存在内阻，虽然该内阻很小，但是由于电机 电流很电流很大有时甚至可以达到几十安培，所以该小内阻不大有时甚至可以达到几十安培，所以该小内阻不可可忽略忽略3.3.动力系统动力系统 电电调调（1）作用）作用电调电调全称全称电电子子调速器，英文调速器，英文Electronic Speed Control，简简称
23、称ESC。1）电调最电调最基基本本的功能就是的功能就是电电机调速（通机调速（通 过飞过飞控板控板给给定定PWM信信号号进进行行调调节节）2）为遥控为遥控接接收收器上其它通器上其它通道道的舵的舵机机供电供电3）充当换相器的角充当换相器的角色色，因为无刷，因为无刷电电机没机没 有电有电刷进行换相刷进行换相（直流电源转直流电源转化化为三相为三相 电源电源供给供给无无刷电刷电机机，并，并对对无刷无刷电电机起调机起调 速作速作用），所以用），所以需需要靠电调进要靠电调进行行电子换电子换 相相。4）电调还电调还有有一一些其它辅助些其它辅助功功能，如电池能，如电池保保护护，启动保护，启动保护、刹车刹车等等。
24、图片图片来源来源http:/ 电电调调（2）指）指标参数标参数1）电流电流 无刷电无刷电调最主要的参数是电调的功率，通常以安调最主要的参数是电调的功率，通常以安数数A来来表示，表示， 如如10A、20A、30A。不。不同电机同电机需需要配备要配备不不同安数同安数的的电调，安电调，安 数不足数不足会导致会导致电电调甚至调甚至电电机烧机烧毁毁。 更具体更具体地，无地，无刷刷电调有电调有持持续电流续电流和和X秒秒内瞬时内瞬时电电流两个流两个重重要要参参 数，前数，前者表示者表示正正常时的常时的电电流，而流，而后后者表者表示示X秒秒内的容内的容忍忍的的最大最大 电电流流。 选选择择电电调型号调型号的的
25、时候一时候一定定要注意要注意电电调最大调最大电电流的大流的大小小是否满是否满 足要求足要求，是否留有足够的安全裕度容量，以避免电调上面的，是否留有足够的安全裕度容量，以避免电调上面的 功率管功率管烧烧坏坏。PUPUSH18ASH18A，BEC2A/5V BEC2A/5V DCDC：5.6V-16.8V5.6V-16.8VSK-30ASK-30A，BEC2A/5VBEC2A/5VDCDC：2-42-4 LiPo/5-12NIMhLiPo/5-12NIMh292016/3/163.3.动力系统动力系统302016/3/16 电电调调2）内阻内阻电调电调具有具有相相应内应内阻阻，其，其发发热功热功率
26、率需要需要得得到注到注意意。有。有些些电调电调电电流可以流可以 达到达到几十几十安安培，培，发发热功热功率率是电是电流流的平的平方方的函的函数数，所，所以以电调电调的的散热散热性性能也能也 十分十分重要重要，因此因此大大规格规格电电调内调内阻阻一般一般都都比较比较小小。3）刷新）刷新频率频率电机电机的响的响应应速度速度与与电调电调的的刷新刷新速速率有率有很很大关大关系系。在。在多多旋翼旋翼开开始发展始发展 之前之前，电，电调调多为多为航航模飞模飞机机而设而设计计，航，航模模飞机飞机上上的舵的舵机机由于由于结结构复构复杂杂，工，工 作频作频率最率最大大为为50Hz。相应。相应地地，电，电调调的刷
27、的刷新新速率速率也也都都为为50Hz。多旋。多旋翼翼与与 其它其它类型类型飞飞机不机不同同，不，不使使用舵用舵机机，而，而是是由电由电调调直接直接驱驱动，动，其其响应响应速速度远度远 超舵机超舵机。目目前前，具，具备备UltraPWM功能功能的的电电调可调可支支持持高高达达500Hz的刷的刷新新率。率。3.3.动力系统动力系统 电电调调4) 可编程可编程特性特性通通过过内内部部参数参数设设置，置，可可以达以达到到最佳最佳的的电电 调调性性能。能。通通常有常有三三种方种方式式可对可对电电调参调参数数进行进行 设置设置：可以可以通过通过编编程卡程卡直直接设接设置置电调电调参数参数通过通过USB连接
28、连接，用电用电脑脑软件软件设设置电置电调调参数参数通过接通过接收收器器，用遥控用遥控器器摇摇杆杆设置电设置电调调参参数数。 设置的设置的参参数数包包括：电括：电池池低低压压断电电断电电压压设设定定、 电流电流限定限定设设定、定、刹刹车模车模式式设定设定、油门油门控控制制 模式模式、切、切换换时序时序设设定、定、断断电模电模式式设定设定、起起 动方动方式设式设定定以及以及PWM 模式模式设定设定等等等等。图图.好好盈无盈无刷刷电调电调参参数编程卡数编程卡图图.一一张电张电调调参数参数配配置表置表312016/3/163.3.动力系统动力系统 电电调调5）兼容性兼容性 如如果电机果电机和电调和电调
29、兼容兼容 性不好性不好，那，那么会发么会发生堵生堵 转，即转，即电机电机不能转不能转动了动了关于关于不兼不兼容容视视频频Hobby King Red Brick ESC Turnigy 2200Kv motor trouble， https:/ 电调电调（3）方）方波驱动波驱动 V.S. 正弦正弦波波驱动驱动1）方方波波驱动驱动方波方波是数字是数字信信号，号，控控制元件制元件工工作在作在开开关状关状态态，电路，电路简简单容单容易易控制发控制发热热小小等等 优点优点。数字。数字电电路容路容易易控制，控制，正正弦波弦波属属于模于模拟拟信号，信号，模模拟信拟信号号控制相控制相当当复复杂杂, 而且控制
30、而且控制元件元件工作在放工作在放大状大状态发热厉态发热厉害。害。2）正弦波驱动正弦波驱动是是趋势趋势（矢量控矢量控制，制，Field Oriented Control）正弦正弦波驱动波驱动在在运运行行平平衡性、衡性、调调速范围和减速范围和减少少噪声振噪声振动动等等要要好好得多。得多。目目前前正正 弦波弦波驱驱动动BLDCM多用于要多用于要求求高的高的伺伺服系服系统统,价格价格甚甚高。高。首首先是光先是光学学编码编码器相器相 当贵当贵；其；其次次驱驱动控动控制制线路较线路较复复杂杂,所用的所用的电电流传感流传感器器及专及专用用芯片等芯片等也也较较贵贵。332016/3/163.3.动力系统动力系
31、统 电电池池（1）作用）作用电电池主池主要用于提供能量。目前航模最大的问题在于续航时间要用于提供能量。目前航模最大的问题在于续航时间 不够，不够，其关键其关键就就在于电在于电池池容量的容量的大大小。现小。现在在可用来可用来做做模型动模型动力力的的 电池种类很多，常见的有锂电池电池种类很多，常见的有锂电池（LiPo）和镍氢电池（和镍氢电池（NiMh），）， 主要源主要源于其优良的性能和便宜的价格优势。然而，对于多旋翼无于其优良的性能和便宜的价格优势。然而，对于多旋翼无 人机而人机而言，电言，电池池单位重单位重量量的能量的能量载载荷很大荷很大程程度上限度上限制制了其飞了其飞行行时时 间和任间和任务
32、拓展。务拓展。342016/3/163.3.动力系统动力系统 电电池池（2）指）指标参数标参数1）电压电压 锂电锂电池池组包含两部分：电池和锂电池保护线组包含两部分：电池和锂电池保护线路路。 单节电单节电压压3.7V，3S1P表示表示3片锂聚合物电池的串联，电压是片锂聚合物电池的串联，电压是 11.1V，其中其中：S是串联，是串联，P表示并联。又如表示并联。又如2S2P电池表示电池表示2片片 锂聚合锂聚合物电池物电池的的串联，串联，然然后两个后两个这这样的串样的串联联结构并结构并联联，总电，总电 压是压是7.4V，电电流是单个电池的两流是单个电池的两倍倍。 不仅在放电过程中电压会下降，而且由于
33、电池本身具有内阻，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， 其放电其放电电流越大，自身由于内阻导致的压降就越大，所以输电流越大，自身由于内阻导致的压降就越大，所以输 出的电出的电压就越压就越小小。(a) 3S1P352016/3/16(b) 2S2P图图. .电电芯芯组合组合方方式式3.3.动力系统动力系统362016/3/16 电电池池2）容量容量 电电池池的的容量是容量是用用毫安时毫安时来来表示的表示的。5000毫安时的电池表示该毫安时的电池表示该 电池电池以以5000毫安的电流放电可以持续一小时。但是，随着放毫安的电流放电可以持续一小时。但是，随着放 电过程电过程的进行的进
34、行，电池的电池的放放电能力电能力在在下降，下降，其其输出电压会缓慢输出电压会缓慢 下下降降，所以导致其剩余容量与放电时间并非是线性关所以导致其剩余容量与放电时间并非是线性关系系。 在实际在实际多旋翼多旋翼飞飞行过程行过程中中，有两，有两种种方式检方式检测测电池的电池的剩剩余容量余容量 是否满是否满足飞行足飞行安安全的要全的要求求。一种。一种方方式式是是检测电池单节电检测电池单节电压压， 另一种另一种方式是实时检方式是实时检测测电池输出电电池输出电流流做积做积分分计算。计算。 注意：注意：单电芯单电芯充充满电电满电电压压为为4.2V，放电完放电完毕毕会降会降至至3.0V(再低再低 可能过可能过放
35、导致放导致电电池损池损坏坏)，一般无人机，一般无人机在在3.6V时会电量报警时会电量报警3.3.动力系统动力系统372016/3/16 电电池池3）放电）放电倍率倍率一般一般充充放电电流的大小常用充放电倍率来表示，即放电电流的大小常用充放电倍率来表示，即 充放电充放电倍倍率率=充放电电流充放电电流/额定容量额定容量例如：例如：额定容量额定容量为为100Ah的的电池用电池用20A放放电时，其放电倍率为电时，其放电倍率为0.2C。电池放电池放电倍率是表示放电快慢的一种量电倍率是表示放电快慢的一种量度度。所用的容量。所用的容量1小时放小时放电完毕，称电完毕，称为为1C放放电；电；5小时放电完毕，则称
36、为小时放电完毕，则称为1/5=0.2C放电。放电。容容量量5000毫安时的电池最大放电倍率毫安时的电池最大放电倍率为为20C， 其最大其最大放电电流为放电电流为 。锂。锂聚聚合物电池一般属于高倍率电池，可以合物电池一般属于高倍率电池，可以 给多旋给多旋翼提供翼提供动动力力。3.3.动力系统动力系统382016/3/16 电电池池3）内阻内阻欧姆内阻欧姆内阻主要主要是指由电是指由电极材极材料、电解料、电解液、液、隔膜电阻隔膜电阻及各及各部分零件部分零件的接的接 触电阻组触电阻组成，成，与电池的与电池的尺寸尺寸、结构、结构、装配装配等有关等有关。电池的内电池的内阻不阻不是常数，是常数，在充在充放电
37、过程放电过程中随中随时间不时间不断断变化变化，不，不是是线线性关性关 系。常随系。常随电流电流密度的对密度的对数增数增大而线性大而线性增加。增加。电池的内电池的内阻很阻很小，我们小，我们一般一般用毫欧的用毫欧的单位单位来定义来定义它它。正。正常情况下常情况下，内，内 阻小的电阻小的电池的池的大电流放大电流放电能电能力强，内力强，内阻大阻大的电池放的电池放电能电能力力弱弱。4.4.控控制制系统系统392016/3/16 遥控遥控器器和接收器和接收器（1）作用）作用遥控遥控器发送飞控手的遥控指令到接收器上，接收机解码后器发送飞控手的遥控指令到接收器上，接收机解码后传传 给飞控给飞控制板，制板，进进
38、而多旋而多旋翼翼根据指根据指令令做出各做出各种种飞行动飞行动作作。遥控。遥控器器可可 以进行以进行一些飞一些飞行行参数的参数的设设置，例置，例如如：油门：油门的的正反，正反，摇摇杆灵杆灵敏敏度度大大 小，舵小，舵机的中立位置调整，通道的功能定义，飞机时间机的中立位置调整，通道的功能定义，飞机时间记录与提记录与提 醒，拨醒，拨杆功能杆功能设设定。高定。高级级功能有功能有航航模回传模回传的的电池电电池电压压电流数电流数据据等等 等。等。4.4.控控制制系统系统左边定义是针对左边定义是针对 固定翼的定义。固定翼的定义。与多旋翼对应关系与多旋翼对应关系 如下：如下：402016/3/16图图. Fut
39、aba遥遥控控器器及定义及定义固定翼固定翼多旋翼多旋翼升降舵升降舵油门，上下运动油门，上下运动方向舵方向舵偏航，偏航运动偏航，偏航运动油门油门俯仰，前后运动俯仰，前后运动副翼副翼滚转，左右运动滚转，左右运动4.4.控控制制系统系统412016/3/16 遥控遥控器器和接收器和接收器（2）指）指标参数标参数1）频率频率 常常用的用的无线电频率无线电频率是是72MHz与与2.4GHz，目前采用的最多的是目前采用的最多的是2.4GHz遥控器。遥控器。 2.4GHz技技术术属属于微波于微波领领域域，有有如下如下几几个优点：频率高、个优点：频率高、同同频频 几几率小率小、功耗低、体积小、反、功耗低、体积
40、小、反应应迅速、控制精度迅速、控制精度高高。 2.4G微微波波的的直线性很直线性很好好，换句话说，控制信号，换句话说，控制信号的的避让障碍物避让障碍物 的性能的性能就差了就差了。控制模型过程中，发射天线应与接收天线有。控制模型过程中，发射天线应与接收天线有 效的形效的形成直线成直线，尽量避尽量避免免遥控模遥控模型型与发射与发射机机之间有之间有很很大的障大的障 碍物（碍物（如房屋及仓库等）。如房屋及仓库等）。4.4.控控制制系统系统422016/3/16 遥控遥控器器和接收器和接收器2）调调制制方方式式5PCM是是英英文文Pulse-Code Modulation的缩写的缩写，中文的意思中文的意
41、思是是：脉：脉 冲冲编编码调制，又码调制，又称称脉码调制脉码调制。PPM是英是英文文Pulse PositionModulation的缩写的缩写，中，中文意思文意思是：是：脉冲位脉冲位置调置调制，又制，又称脉称脉位调制，位调制， 前者前者指的是信号指的是信号脉脉冲的编码方冲的编码方式式，后者指的，后者指的是是高频电路的高频电路的调调制方制方 式式。PCM编编码的优点码的优点不不仅在于其很仅在于其很强强的抗干扰性的抗干扰性，而且可以很而且可以很方方便便的利用的利用计算计算机编程机编程，不，不增加或增加或少增少增加成本加成本，实，实现各种现各种智能智能化设计。化设计。 相相比比PCM编码编码，PP
42、M比例遥控设比例遥控设备备实现相对简实现相对简单单，成本较低，成本较低，但较但较容易容易受受干扰。干扰。5 李兴李兴赫赫, 孙孙巍巍. 介绍一种国介绍一种国产产PCM比例遥控设比例遥控设备备. 航空模航空模型型, 2001, (4): 19-20.4.4.控控制制系统系统432016/3/16 遥控遥控器器和接收器和接收器3）通道通道一一个通个通道对应一个独立的动作，一般道对应一个独立的动作，一般有有6通道和通道和10通通 道。道。多多 旋翼在旋翼在控制过控制过程程中需要中需要控控制的动制的动作作路数有路数有：上下、上下、 左右、左右、前后、旋转所以最低前后、旋转所以最低得得4通道遥控器。通道
43、遥控器。4）美国）美国手和日本手手和日本手美国手美国手和日本和日本手手就是遥就是遥控控杆对应杆对应的的控制通控制通道道的设置不的设置不 同。美同。美国左手操作杆是国左手操作杆是“升升降降+偏航偏航”，右手为，右手为“俯仰俯仰+滚滚 转转”。日本手则相反。目前，国内以美国手遥控器为日本手则相反。目前，国内以美国手遥控器为主主。4.4.控控制制系统系统442016/3/16 遥控遥控器器和接收器和接收器5）油门油门油门油门杆不杆不会会自动自动回回中，中，最最低点低点为为0%油油门，最高门，最高点点为为100%油门油门。这这种种油门油门主要主要对对应的应的是是期望期望的的推力推力的的大小大小, 称称
44、直直接式接式油油门门。还有还有一种一种油油门是门是松松手油手油门门自动自动回回中，中，属属于于增增量量式油式油门门。这。这种种油门油门大大小小 对应对应的是的是期期望的望的速速度大度大小小。油。油门门回中回中，多旋多旋翼翼的期的期望望速度速度为为零，零，也也就就 意味意味着多着多旋旋翼在翼在当当地悬地悬停停。6）遥控）遥控距离距离根据根据功率功率不不同，同，遥遥控器控器控控制的制的距距离离也也有有所不所不同同。遥。遥控控器上器上也也可以使可以使 用带用带有功有功率率放大（放大（Power Amplifier，PA）模模块，块，带带有鞭有鞭状状天线天线，可以增可以增 大操大操控距控距离离。4.4
45、.控控制制系统系统 遥控遥控器器和接收器和接收器（3）开）开源遥控器源遥控器针对遥针对遥控器，控器，目目前也有前也有开开源项目源项目，可参可参见见网站网站 http:/www.os- http:/www.open-tx.org/ http:/www.reseau.org/arduinorc/ 这这样样用用户可以户可以根根据自己据自己的的需求定需求定制制自己的自己的遥遥控器。控器。452016/3/164.4.控控制制系统系统462016/3/16 自动驾驶仪自动驾驶仪（1）组成）组成多旋翼多旋翼自动驾自动驾驶驶仪，分仪，分为为软件部软件部分分和硬件和硬件部部分分。包。包括括：1）全球定位全球定
46、位系系统统（GPS），），得得到到多旋多旋翼翼的位的位置置信息；信息；2）惯性惯性测测量量单单元元（IMU），），包包括三轴加速括三轴加速度度计、三轴陀计、三轴陀螺螺仪、电子罗仪、电子罗盘盘（或或 磁力磁力计），目的计），目的是是得到多旋翼得到多旋翼的的姿态信息；姿态信息；市市面上常说面上常说的的6轴轴IMU是包是包含了三含了三 轴加轴加速度计和三速度计和三轴轴陀螺仪陀螺仪，9轴轴IMU是包是包含含了了三轴加速度三轴加速度计计、三轴陀、三轴陀螺螺仪仪和三和三 轴磁轴磁力计力计，而而10轴轴IMU则则是是在在9轴轴IMU基础上基础上多多了气了气压压计这计这一一轴；轴；3）气压气压计计和和超超声波
47、测量模声波测量模块块，目的是得，目的是得到到多旋翼绝对多旋翼绝对（气压计）或气压计）或相相对高度对高度 信息信息（超声波测（超声波测量量模块）；模块）；4）微型微型计计算算机机，算法计算，算法计算平平台台；5）接接口口，与各种传，与各种传感感器和电调、器和电调、通通讯设备等的讯设备等的硬硬件接口。件接口。4.4.控控制制系统系统472016/3/16 自动驾驶仪自动驾驶仪（2）作用）作用1）导导航航。导航就是解决。导航就是解决“多旋翼在多旋翼在哪哪”的问的问题题。如。如何何发挥各发挥各 自传感自传感器优势，得到准确的位置和姿态信息，是自驾仪飞控要做器优势，得到准确的位置和姿态信息，是自驾仪飞控
48、要做 的首要的首要的事情。的事情。对应第七、八、九讲对应第七、八、九讲2）控控制制。控制就是解决。控制就是解决“多旋翼怎么多旋翼怎么去去” 的问题的问题。首先。首先得得到到 准确的位置和姿态信息，之后根据任务，通过算法计算出控制量，准确的位置和姿态信息，之后根据任务，通过算法计算出控制量， 输出给输出给电调，电调，进进而控制而控制电电机转机转速速。对对应应第十、十一、十二讲第十、十一、十二讲3）决决策策。决策就是解决。决策就是解决“多旋翼去哪多旋翼去哪儿儿” 的问题的问题。去哪。去哪儿儿可可 能是操能是操作手决作手决定定的，也的，也可可能是为能是为了了安全，安全，按按照规定照规定流流程的紧程的
49、紧急急处处 理方理方案案。对对应应第十三、十四讲第十三、十四讲4.4.控控制制系统系统 自动驾驶仪自动驾驶仪（3）开）开源自源自驾驾仪仪网网址址（Web site URL）http:/http:/www.openpilot.org/http:/paparazziuav.orghttps:/pixhawk.ethz.ch/http:/www.mikrokopter.dehttp:/www.kkmulticopter.kr/http:/ 自动驾驶仪自动驾驶仪（3）开）开源自源自驾驾仪仪开开源项目源项目网网址址（Web site URL）Taulabshttp:/forum.taulabs.org/
50、Flexbothttp:/www.flexbot.cc/Dronecode(开源开源无人无人机机航航空操空操作作系系统统)https:/www.dronecode.org/Percepto(无人无人机开机开源源视视觉平觉平台台)http:/www.percepto.co/Parrot API(开放开放SDK)https:/projects.ardrone.org/embedded/ardrone-api/index.html3DR DRONEKIT(SDK)http:/www.dronekit.io/DJI DEVELOPER(SDK)http:/ MATRICE 100+ DJI Guida
