多旋翼飞行器设计与控制-第二讲-Part1-多旋翼基本组成

多旋翼飞行器设计与控制第二讲多旋翼基本组成全权副教授[e-mail]自动化科学与电气工程学院北京航空航天大学2016年3月17日北航主南4012016/3/162前言东方智慧：中国古人很早就认识到整体和局部之间相互依存的关系。《黄帝内经》分《灵枢》、《素问》两部分，是中国最早的医学典籍，传统医学四大经典著作之一。《黄帝内经》把人体看作是由各种器官有机地联系在一起的整体，主张从整体上研究人体的病因。苏轼在《琴诗》中写道：“若言琴上有琴声，放在匣中何不鸣？若言声在指头上，何不于君指上听？”该诗描述的是：在乐曲、琴声中指头、琴、演奏者的思想感情、演奏技巧等部分、要素是相互依存、缺一不可的，它们之间是相互影响、相互制约的关系，存在着紧密的联系。来源于多旋翼的基本组成是什么，它们又有何作用？前言大纲1.总体介绍2.机身主体3.动力系统4.控制系统5.小结6.作业2016/3/1641.总体介绍2016/3/165遥控器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，图片主体来源于网站机身主体2016/3/167机架（1）作用多旋翼的承载平台，所有设备都是用机架承载。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好用。衡量一个机架的好坏，可以从耐用性和安全性、使用方便程度、元器件安装是否合理等等方面考察。大疆风火轮F450大疆风火轮F550零度HIGHONE四旋翼（机架可折叠）极飞X650v4Frame（机架可折叠）2.机身主体2016/3/169机架3）材料（参考=Frame-Materials）碳纤维玻璃钢聚碳酸脂丙烯酸塑料铝合金轻木密度（lb/cuin）0.050.070.050.040.10.0027-0.0081刚度（Msi）9.32.70.750.3810.30.16-0.9强度（Ksi）12015-508-168-1115-751-4.6价钱（越大越优）1699710加工（越大越优）3767710注：（a）刚度。弹性模量表示是材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系；形变越难改变，刚度越大（b）强度。抗拉强度就是试样拉断前承受的最大标称拉应力2.机身主体2016/3/1610起落架（LandingGear）作用：1）支撑多旋翼重力2）避免螺旋桨离地太近，而发生触碰3）减弱起飞时的地效4）消耗和吸收多旋翼在着陆时的撞击能量图.亿航Ghost2.机身主体2016/3/1612涵道T-Hawk/gMAVFleyeFlyingplatform（=NYY9q-vs4Nw）2.机身主体2016/3/1615云台(CameraStabilizerorCameraGimbal)云台效果视频QuadcopterwithstabilizedGoProgimbal（=ybTNjt8sMnA）2.机身主体2016/3/1616（2）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。（3）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±0.02°4）最大可控转速5）可控转动范围云台(CameraStabilizerorCameraGimbal)图.云台工作原理图3.动力系统2016/3/1618螺旋桨（1）作用1）螺旋桨是直接产生推力的部件，同样是以追求效率为第一目的。2）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的电量，这样就能延长多旋翼的续航时间。因此，选择最优的螺旋桨是提高续航时间的一条捷径。3.动力系统2016/3/1619螺旋桨（2）指标参数1）型号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（PropellerPitch）。显然，桨叶的角度越大，螺距也越大，角度与旋转平面角度为0，螺距也为0。螺旋桨一般用4个数字表示，其中前面2位是螺旋桨的直径，后面2位是螺旋桨的螺距。比如：1045桨的直径为10英寸，而螺距为4.5英寸。2）弦长弦长3.动力系统2016/3/1621螺旋桨5）安全转速安全转速的计算，要保证在所有可能工况下不超过最高允许转速。比如：APC网站[3]上给出他们提供的多旋翼桨（Multi-Rotor(MR)Propellers）的最大桨速（rpm，revolutionsperminute，转/分钟）是105000/propdiameter(inches)。以最常用的10寸桨为例，多旋翼桨最大桨速为10500rpm。慢飞桨（SlowFlyer(SF)Propellers）最大桨速只有65000/propdiameter(inches)。因此，选择螺旋桨要注意使用场合。[3]=2553.动力系统2016/3/1622螺旋桨6）材料一般有碳纤维、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[4]:•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。[4]动力系统2016/3/1623螺旋桨（3）静平衡和动平衡•进行静平衡和动平衡的目的是减少振动•螺旋桨静平衡是指螺旋桨重心与轴心线重合时的平衡状态；而螺旋桨动平衡是指螺旋桨重心与其惯性中心重合时的平衡状态•出现不平衡的情况时，可以通过贴透明胶带到轻的桨叶，或用砂纸打磨偏重的螺旋桨平面（非边缘）来实现平衡。图.图像质量变差，jello-like(果冻),wavy（波纹）,warped（弯曲）螺旋桨平衡器（用于静平衡）3.动力系统2016/3/1624螺旋桨简易的动平衡器测量方法[]3.动力系统2016/3/1625电机（1）作用多旋翼的电机主要以无刷直流电机为主，将电能转换成机械能。无刷直流电机运转时靠电子电路换向，这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰，也减小了噪音。它一头固定在机架力臂的电机座，一头固定螺旋桨，通过旋转产生向下的推力。不同大小、负载的机架，需要配合不同规格、功率的电机。外转子(Outerrotor)电机内转子(Innerrotor)电机图片来源动力系统2016/3/1626电机（2）工作原理BrushlessDCMotor,Howitworks?=bCEiOnuODac3.动力系统2016/3/1627电机（3）指标参数1）尺寸一般用4个数字表示，其中前面2位是电机转子的直径，后面2位是电机转子的高度。简单地说，前面2位越大，电机越肥，后面2位越大，电机越高。又高又大的电机，功率就更大，适合做大四轴。比如：2212电机表示电机转子的直径是22mm,电机转子的高度是12mm。2）标称空载KV值无刷电机KV值定义为“转速/伏特”，意思为输入电压增加1伏特，无刷电机空转转速增加的转速值。例如：1000KV电机，外加1V电压，电机空转时每分钟转1000转，外加2V电压，电机空转就2000转了。单从KV值，无法评价电机的好坏，因为不同KV值有适用不同尺寸的桨。3660-1700KVRS22052300KV3.动力系统2016/3/1628电机3）标称空载电流和电压在空载试验时，对电动机施加标称空载电压(通常为10V)，使其不带任何负载空转，定子三相绕组中通过的电流，称为标称空载电流4）最大瞬时电流/最大持续电流电机能承受的最大瞬时通过的电流，电机能允许持续工作而不烧坏的最大连续电流5）内阻电机电枢本身存在内阻，虽然该内阻很小，但是由于电机电流很大有时甚至可以达到几十安培，所以该小内阻不可忽略3.动力系统2016/3/1629电调（1）作用电调全称电子调速器，英文ElectronicSpeedControl，简称ESC。1）电调最基本的功能就是电机调速（通过飞控板给定PWM信号进行调节）2）为遥控接收器上其它通道的舵机供电3）充当换相器的角色，因为无刷电机没有电刷进行换相（直流电源转化为三相电源供给无刷电机，并对无刷电机起调速作用），所以需要靠电调进行电子换相。4）电调还有一些其它辅助功能，如电池保护，启动保护、刹车等。图片来源电调电池控制设备实物图电机3.动力系统2016/3/1630电调（2）指标参数1）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。•更具体地，无刷电调有持续电流和X秒内瞬时电流两个重要参数，前者表示正常时的电流，而后者表示X秒内的容忍的最大电流。•选择电调型号的时候一定要注意电调最大电流的大小是否满足要求，是否留有足够的安全裕度容量，以避免电调上面的功率管烧坏。PUSH18A，BEC2A/5VDC：5.6V-16.8VSK-30A，BEC2A/5VDC：2-4LiPo/5-12NIMh3.动力系统2016/3/1631电调2）内阻电调具有相应内阻，其发热功率需要得到注意。有些电调电流可以达到几十安培，发热功率是电流的平方的函数，所以电调的散热性能也十分重要，因此大规格电调内阻一般都比较小。3）刷新频率电机的响应速度与电调的刷新速率有很大关系。在多旋翼开始发展之前，电调多为航模飞机而设计，航模飞机上的舵机由于结构复杂，工作频率最大为50Hz。相应地，电调的刷新速率也都为50Hz。多旋翼与其它类型飞机不同，不使用舵机，而是由电调直接驱动，其响应速度远超舵机。目前，具备UltraPWM功能的电调可支持高达500Hz的刷新率。3.动力系统2016/3/1632电调4)可编程特性通过内部参数设置，可以达到最佳的电调性能。通常有三种方式可对电调参数进行设置：•可以通过编程卡直接设置电调参数•通过USB连接，用电脑软件设置电调参数•通过接收器，用遥控器摇杆设置电调参数。设置的参数包括：电池低压断电电压设定、电流限定设定、刹车模式设定、油门控制模式、切换时序设定、断电模式设定、起动方式设定以及PWM模式设定等等。图.好盈无刷电调参数编程卡图.一张电调参数配置表3.动力系统2016/3/1633电调5）兼容性如果电机和电调兼容性不好，那么会发生堵转，即电机不能转动了关于不兼容视频HobbyKingRedBrickESCTurnigy2200Kvmotortrouble，=zUCK7fTNwo03.动力系统2016/3/1635电池（1）作用电池主要用于提供能量。目前航模最大的问题在于续航时间不够，其关键就在于电池容量的大小。现在可用来做模型动力的电池种类很多，常见的有锂电池（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。然而，对于多旋翼无人机而言，电池单位重量的能量载荷很大程度上限制了其飞行时间和任务拓展。3.动力系统2016/3/1636电池（2）指标参数1）电压•