從零開始了解無人機丨無人機的基本構(gòu)成與作用原理

1）動力系統(tǒng)

目前大型、小型、輕型無人機廣泛采用的動力裝置為活塞式發(fā)動機系統(tǒng)。而出于成本和使用方便的考慮，微型無人機中普遍使用的是電動動力系統(tǒng)。

1. 螺旋槳：無人機產(chǎn)生推力的主要部件，常見的多旋翼無人機一般搭配4個螺旋槳，兩個順時針旋轉(zhuǎn)，兩個逆時針旋轉(zhuǎn)。

關(guān)于正反槳：

正槳：俯視逆時針旋轉(zhuǎn)(CCW)

反槳：俯視順時針旋轉(zhuǎn)(CW)

這是螺旋槳型號的具體分辨的方法，一般每一種電機都有它適配的螺旋槳，對于一種電機來說螺旋槳過大或過小都不太好，多軸飛行器的操縱主要就是依靠改變電機的轉(zhuǎn)速，使每個螺旋槳產(chǎn)生不同的升力來進行操縱。

2. 電機：俗稱馬達，能將電能轉(zhuǎn)化為機械能，帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生推力。在微型無人機當中使用的動力電機可以分為兩類：有刷電動機和無刷電動機。其中有刷電動機由于效率較低，在無人機領(lǐng)域已逐漸不再使用。有刷電機和無刷電機在外觀上的主要區(qū)別就是：有刷電機是里面的電刷在轉(zhuǎn)動被稱為轉(zhuǎn)子，外面不轉(zhuǎn)的永磁體被稱為定子，無刷電機是里面的電刷不轉(zhuǎn)被稱為定子，外面的永磁體轉(zhuǎn)動被稱為轉(zhuǎn)子。當然還有一個較 主要的區(qū)別就是無刷電機需要用交流電來驅(qū)動所以外面需要接上一個電子調(diào)速器而有刷電機直流電就可以將其驅(qū)動。

無刷電機型號的含義：電動機的型號主要以尺寸為依據(jù)。比如，有刷370電機，是指它不包括軸的長度是37mm;無刷外轉(zhuǎn)子2208電機是指它定子線圈的直徑是22mm,不包括軸電子線圈的高度是8mm。當然有一些型號是說它相當于某級別的，還有一些是廠家自己命名的。電動機的技術(shù)指標很多，與無人機動力特性較 相關(guān)的兩個是轉(zhuǎn)速和功率。轉(zhuǎn)速一般用kV來表示，所謂kV是指每伏特(V)能達到的空載每分鐘轉(zhuǎn)速。比如，使用kV1000的電機，11. 1V電池，電機轉(zhuǎn)速應(yīng)該是1000x11. 1=11100.即每分鐘11100轉(zhuǎn)。即每增加1V電機空載轉(zhuǎn)速增加1000轉(zhuǎn)。

3. 電子調(diào)速器：不僅可以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，也可以為遙控接收器上其他通道的舵機供電，還能將電池提供的直流電轉(zhuǎn)換為可直接驅(qū)動電機的三相交流電。

動力電機的調(diào)速系統(tǒng)稱為電調(diào)，全稱為電子調(diào)速器，英文為Electronic SpedCotoller,簡稱ESC 。針對動力電機不同，可分為有刷電調(diào)和無刷電調(diào)。它根據(jù)控制信號調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。對于它們在多旋翼無人機中的連接，一般情況如下：

(1)電調(diào)的輸入線與電池連接;

(2)電調(diào)的輸出線(有刷兩根、無刷三根)與電機連接;

(3)電調(diào)的信號線與遙控器接收機連接。

另外，電調(diào)一般有電源輸出功能(BEC)，即在信號線的正負極之間有5V左右的電壓輸出，通過信號線為接收機及舵機供電。一般電調(diào)都具有以下幾個功能：

1、整流，將電源的直流電變?yōu)榻涣麟?/span>

2、穩(wěn)壓，在信號線的正負極之間有5V左右的穩(wěn)定電壓輸出

3、調(diào)速，通過改變電流來改變電機的轉(zhuǎn)速

4、檢測，檢測電機是否完好以及是否有遙控器信號

5、換向，改變電機轉(zhuǎn)向

4. 動力電源：為多旋翼無人機提供能量，直接關(guān)系到無人機的懸停時長、較 大負載重量和飛行距離等重要指標。通常采用化學(xué)電池來作為電動無人機的動力電源，主要包括：鎳氫電池，鎳鉻電池，鋰聚合物，鋰離子動力電池。其中前兩種電池因重量重，能量密度低，現(xiàn)已基本被鋰聚合物動力電池所取代。鋰聚合物的電池的標稱電壓是3.7V，滿電電壓是4.2V,儲存電壓是3.8V，放電后的保護電壓為3.6V。電池的放電能力是以倍率(C)來表示的，它的意思是說按照電池的標稱容量較 大可達到多大的放電電流。例如，一個1000mAh、10C 的電池，較 大放電電流可達1000x10=10000毫安，即10安培(A)。一般這種電池都是由好幾塊電芯串聯(lián)到一起的，例如，3S鋰電池，就是由三塊電芯串聯(lián)到一起得到的。一般這種電池的放電倍率可以做到很大，而充電倍率一般不超過5C。

2）飛控系統(tǒng)

1. 主控單元：飛行控制系統(tǒng)的核心，通過它將IMU、GPS指南針、舵機和遙控接收機等設(shè)備接入飛行控制系統(tǒng)從而實現(xiàn)飛行器自主飛行功能。除了輔助飛行控制以外，某些主控器還具備記錄飛行數(shù)據(jù)的黑匣子功能。

2. IMU（慣性測量單元）：

（友情提示：太長不看，請往下拉）

現(xiàn)在的飛控內(nèi)部使用的都是由三軸陀螺儀，三軸加速度計，三軸地磁傳感器和氣壓計組成的一個IMU，也稱慣性測量單元。那么什么是三軸陀螺儀，什么是三軸加速度計，什么是三軸地磁傳感器呢，氣壓計？它們在飛機上起到的是什么作用呢，這三軸又是哪三個軸呢？三軸陀螺儀，三軸加速度計，三軸地磁傳感器中的三軸指的就是飛機左右，前后垂直方向上下這三個軸，一般都用XYZ來代表。左右方向在飛機中叫做橫滾，前后方向在飛機中叫做俯仰，垂直方向就是Z軸。陀螺都知道，小時候基本上都玩過，在不轉(zhuǎn)動的情況下它很難站在地上，只有轉(zhuǎn)動起來了，它才會站立在地上，或者說自行車，輪子越大越重的車子就越穩(wěn)定，轉(zhuǎn)彎的時候*能夠感覺到一股阻力，這就是陀螺效應(yīng)，根據(jù)陀螺效應(yīng)，聰明的人們發(fā)明出的陀螺儀。較 早的陀螺儀是一個高速旋轉(zhuǎn)的陀螺，通過三個靈活的軸將這個陀螺固定在一個框架中，無論外部框架怎么轉(zhuǎn)動，中間高速旋轉(zhuǎn)的陀螺始終保持一個姿態(tài)。通過三個軸上的傳感器就能夠計算出外部框架旋轉(zhuǎn)的度數(shù)等數(shù)據(jù)。

由于成本高，機械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，現(xiàn)在都被電子陀螺儀代替，電子陀螺儀的優(yōu)勢就是成本低，體積小重量輕，只有幾克重，穩(wěn)定性還有精度都比機械陀螺高。說到這，大家也就明白陀螺儀在飛控中起到的作用了吧，它就是測量XYZ三個軸的傾角的。那么三軸加速度計時干什么的呢，剛剛說道三軸陀螺儀就是XYZ三個軸，現(xiàn)在不用說也就明白三軸加速度計也是XYZ三個軸。當我們開車起步的一瞬間就會感到背后有一股推力，這股推力呢就是加速度，加速度是速度變化量與發(fā)生這一變化時間的比值，是描述物體變化快慢的物理量，米每二次方秒，例如一輛車在停止狀態(tài)下，它的加速度是0，起步后，從每秒0米到每秒10米，用時10秒，這就是這輛車的加速度，如果車速每秒10米的速度行駛，它的加速度就是0，同樣，用10秒的時間減速，從每秒10米減速到每秒5米，那么它的加速就是負數(shù)。三軸加速度計就是測量飛機XYZ三個軸的加速度。

我們?nèi)粘３鲂卸际歉鶕?jù)路標或記憶來尋找自己的面向的，地磁傳感器就是感知地磁的，就是一個電子指南針，它可以讓飛機知道自己的飛行朝向，機頭朝向，找到任務(wù)位置和家的位置。氣壓計呢就是測量當前位置的大氣壓，都知道高度越高，氣壓越低，這就是人到高原之后為什么會有高原反應(yīng)了，氣壓計是通過測量不同位置的氣壓，計算壓差獲得到當前的高度，這就是整個IMU慣性測量單元，它在飛機中起到的作用就是感知飛機姿態(tài)的變化，例如飛機當前是前傾還是左右傾斜，機頭朝向、高度等較 基本的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

3. GPS指南針模塊：包含GPS模塊和指南針模塊，用于*確定飛行器的方向及經(jīng)緯度。

4. LED指示燈模塊：用于實時顯示飛行狀態(tài)，是飛行過程中必不可少的，它能幫助飛手實時了解飛行狀態(tài)。

3）視頻系統(tǒng)

1. 攝像機：拍攝無人機飛行路徑上的畫面。

2. 云臺：常用的有二軸云臺和三軸云臺。云臺作為相機或攝像機的増穩(wěn)設(shè)備，提供兩個方向或三個方向的增穩(wěn)控制。

3. 圖傳：將無人機在空中拍攝的畫面實時穩(wěn)定地發(fā)射給地面圖傳遙控接收顯示端上，供操控者觀看。無人機圖傳系統(tǒng)，就是采用適當?shù)囊曨l壓縮技術(shù)、信號處理技術(shù)、信道編碼技術(shù)及調(diào)制解調(diào)技術(shù)，將現(xiàn)場無人機所搭載的攝像機拍攝到的視頻以無線方式實時傳送到遠距離后方的一種無線電子傳輸設(shè)備。

如果按設(shè)備的類型來分類，通?？煞譃槟M圖傳和數(shù)字圖傳兩大類。早期的圖傳設(shè)備都采用的是模擬制式，它的特點是只要圖傳發(fā)射端和接收端工作在一個頻段上，就可以收到畫面。由于數(shù)字圖傳所傳輸?shù)囊曨l質(zhì)量和穩(wěn)定性都要遠遠好于模擬圖傳系統(tǒng)，所以在工業(yè)級應(yīng)用中通常都采用數(shù)字圖傳。

4）遙控系統(tǒng)

控制無人機的方法很多，較 傳統(tǒng)的就是遙控器了，此外地面站用的數(shù)傳電臺。另外還有不是特別主流的藍牙、wifi、3G/4G等。

無人機遙控器一般成對出售，一個發(fā)射機，一個接收機。他們需要配對使用，不同廠家的發(fā)射機和接收機有可能沒法通用，在購買時需要確認他們之間的協(xié)議是否一致。

發(fā)射機上裝有搖桿，旋鈕，開關(guān)等器件，飛手通過調(diào)整發(fā)射機上的這些器件來遠程控制無人機。飛手給出的控制命令由接收機接收，接收機與飛控相連將信號轉(zhuǎn)遞給飛控。

遙控器還有一個美國手、日本手之說。美國手與日本手是指無人機的操控方式，美國手是左手油門，日本手是右手油門，對應(yīng)不同的操控器油門方向桿的不同布局。

美國手：又稱左手油門。就是遙控器的左搖桿，負責(zé)無人機的上升下降、原地順時針/逆時針旋轉(zhuǎn)；遙控器的右搖桿，負責(zé)無人機在水平位置上的前后左右移動。

日本手：又稱右手油門。與美國手的區(qū)別其實并不大，僅在于將控制無人機上升下降與前進后退，進行了對調(diào)。也就是左搖桿負責(zé)無人機的前進后退、原地順時針/逆時針旋轉(zhuǎn)；遙控器的右搖桿，負責(zé)無人機的上升下降和左右移動。

中國手：也有人稱作“反美國手”，因為其與“美國手”完全相反，遙控器的左搖桿，負責(zé)無人機在水平位置上的前后左右移動；遙控器的右搖桿，負責(zé)無人機的上升下降、原地順時針/逆時針旋轉(zhuǎn)。

幾種操作方式并無好壞、難易之分，只不過不同人習(xí)慣不同罷了。如果你不知道如何選擇的話，就選美國手吧，用的人多，淘汰以后也更好出手。