從零開始了解無(wú)人機(jī)丨無(wú)人機(jī)的基本構(gòu)成與作用原理

1）動(dòng)力系統(tǒng)

目前大型、小型、輕型無(wú)人機(jī)廣泛采用的動(dòng)力裝置為活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。而出于成本和使用方便的考慮，微型無(wú)人機(jī)中普遍使用的是電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)。

1. 螺旋槳：無(wú)人機(jī)產(chǎn)生推力的主要部件，常見的多旋翼無(wú)人機(jī)一般搭配4個(gè)螺旋槳，兩個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

關(guān)于正反槳：

正槳：俯視逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(CCW)

反槳：俯視順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(CW)

這是螺旋槳型號(hào)的具體分辨的方法，一般每一種電機(jī)都有它適配的螺旋槳，對(duì)于一種電機(jī)來(lái)說(shuō)螺旋槳過(guò)大或過(guò)小都不太好，多軸飛行器的操縱主要就是依靠改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使每個(gè)螺旋槳產(chǎn)生不同的升力來(lái)進(jìn)行操縱。

2. 電機(jī)：俗稱馬達(dá)，能將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生推力。在微型無(wú)人機(jī)當(dāng)中使用的動(dòng)力電機(jī)可以分為兩類：有刷電動(dòng)機(jī)和無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。其中有刷電動(dòng)機(jī)由于效率較低，在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域已逐漸不再使用。有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)在外觀上的主要區(qū)別就是：有刷電機(jī)是里面的電刷在轉(zhuǎn)動(dòng)被稱為轉(zhuǎn)子，外面不轉(zhuǎn)的永磁體被稱為定子，無(wú)刷電機(jī)是里面的電刷不轉(zhuǎn)被稱為定子，外面的永磁體轉(zhuǎn)動(dòng)被稱為轉(zhuǎn)子。當(dāng)然還有一個(gè)較 主要的區(qū)別就是無(wú)刷電機(jī)需要用交流電來(lái)驅(qū)動(dòng)所以外面需要接上一個(gè)電子調(diào)速器而有刷電機(jī)直流電就可以將其驅(qū)動(dòng)。

無(wú)刷電機(jī)型號(hào)的含義：電動(dòng)機(jī)的型號(hào)主要以尺寸為依據(jù)。比如，有刷370電機(jī)，是指它不包括軸的長(zhǎng)度是37mm;無(wú)刷外轉(zhuǎn)子2208電機(jī)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(dāng)然有一些型號(hào)是說(shuō)它相當(dāng)于某級(jí)別的，還有一些是廠家自己命名的。電動(dòng)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)很多，與無(wú)人機(jī)動(dòng)力特性較 相關(guān)的兩個(gè)是轉(zhuǎn)速和功率。轉(zhuǎn)速一般用kV來(lái)表示，所謂kV是指每伏特(V)能達(dá)到的空載每分鐘轉(zhuǎn)速。比如，使用kV1000的電機(jī)，11. 1V電池，電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)該是1000x11. 1=11100.即每分鐘11100轉(zhuǎn)。即每增加1V電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速，也可以為遙控接收器上其他通道的舵機(jī)供電，還能將電池提供的直流電轉(zhuǎn)換為可直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的三相交流電。

動(dòng)力電機(jī)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(jiǎn)稱ESC 。針對(duì)動(dòng)力電機(jī)不同，可分為有刷電調(diào)和無(wú)刷電調(diào)。它根據(jù)控制信號(hào)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于它們?cè)诙嘈頍o(wú)人機(jī)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(wú)刷三根)與電機(jī)連接;

(3)電調(diào)的信號(hào)線與遙控器接收機(jī)連接。

另外，電調(diào)一般有電源輸出功能(BEC)，即在信號(hào)線的正負(fù)極之間有5V左右的電壓輸出，通過(guò)信號(hào)線為接收機(jī)及舵機(jī)供電。一般電調(diào)都具有以下幾個(gè)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(hào)線的正負(fù)極之間有5V左右的穩(wěn)定電壓輸出

3、調(diào)速，通過(guò)改變電流來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速

4、檢測(cè)，檢測(cè)電機(jī)是否完好以及是否有遙控器信號(hào)

5、換向，改變電機(jī)轉(zhuǎn)向

4. 動(dòng)力電源：為多旋翼無(wú)人機(jī)提供能量，直接關(guān)系到無(wú)人機(jī)的懸停時(shí)長(zhǎng)、較 大負(fù)載重量和飛行距離等重要指標(biāo)。通常采用化學(xué)電池來(lái)作為電動(dòng)無(wú)人機(jī)的動(dòng)力電源，主要包括：鎳氫電池，鎳鉻電池，鋰聚合物，鋰離子動(dòng)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(dòng)力電池所取代。鋰聚合物的電池的標(biāo)稱電壓是3.7V，滿電電壓是4.2V,儲(chǔ)存電壓是3.8V，放電后的保護(hù)電壓為3.6V。電池的放電能力是以倍率(C)來(lái)表示的，它的意思是說(shuō)按照電池的標(biāo)稱容量較 大可達(dá)到多大的放電電流。例如，一個(gè)1000mAh、10C 的電池，較 大放電電流可達(dá)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(guò)5C。

2）飛控系統(tǒng)

1. 主控單元：飛行控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)它將IMU、GPS指南針、舵機(jī)和遙控接收機(jī)等設(shè)備接入飛行控制系統(tǒng)從而實(shí)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(cè)量單元）：

（友情提示：太長(zhǎng)不看，請(qǐng)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(jì)，三軸地磁傳感器和氣壓計(jì)組成的一個(gè)IMU，也稱慣性測(cè)量單元。那么什么是三軸陀螺儀，什么是三軸加速度計(jì)，什么是三軸地磁傳感器呢，氣壓計(jì)？它們?cè)陲w機(jī)上起到的是什么作用呢，這三軸又是哪三個(gè)軸呢？三軸陀螺儀，三軸加速度計(jì)，三軸地磁傳感器中的三軸指的就是飛機(jī)左右，前后垂直方向上下這三個(gè)軸，一般都用XYZ來(lái)代表。左右方向在飛機(jī)中叫做橫滾，前后方向在飛機(jī)中叫做俯仰，垂直方向就是Z軸。陀螺都知道，小時(shí)候基本上都玩過(guò)，在不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下它很難站在地上，只有轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)了，它才會(huì)站立在地上，或者說(shuō)自行車，輪子越大越重的車子就越穩(wěn)定，轉(zhuǎn)彎的時(shí)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(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺，通過(guò)三個(gè)靈活的軸將這個(gè)陀螺固定在一個(gè)框架中，無(wú)論外部框架怎么轉(zhuǎn)動(dòng)，中間高速旋轉(zhuǎn)的陀螺始終保持一個(gè)姿態(tài)。通過(guò)三個(gè)軸上的傳感器就能夠計(jì)算出外部框架旋轉(zhuǎn)的度數(shù)等數(shù)據(jù)。

由于成本高，機(jī)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(shì)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(jī)械陀螺高。說(shuō)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(cè)量XYZ三個(gè)軸的傾角的。那么三軸加速度計(jì)時(shí)干什么的呢，剛剛說(shuō)道三軸陀螺儀就是XYZ三個(gè)軸，現(xiàn)在不用說(shuō)也就明白三軸加速度計(jì)也是XYZ三個(gè)軸。當(dāng)我們開車起步的一瞬間就會(huì)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(shí)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?fàn)顟B(tài)下，它的加速度是0，起步后，從每秒0米到每秒10米，用時(shí)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(shí)間減速，從每秒10米減速到每秒5米，那么它的加速就是負(fù)數(shù)。三軸加速度計(jì)就是測(cè)量飛機(jī)XYZ三個(gè)軸的加速度。

我們?nèi)粘３鲂卸际歉鶕?jù)路標(biāo)或記憶來(lái)尋找自己的面向的，地磁傳感器就是感知地磁的，就是一個(gè)電子指南針，它可以讓飛機(jī)知道自己的飛行朝向，機(jī)頭朝向，找到任務(wù)位置和家的位置。氣壓計(jì)呢就是測(cè)量當(dāng)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(huì)有高原反應(yīng)了，氣壓計(jì)是通過(guò)測(cè)量不同位置的氣壓，計(jì)算壓差獲得到當(dāng)前的高度，這就是整個(gè)IMU慣性測(cè)量單元，它在飛機(jī)中起到的作用就是感知飛機(jī)姿態(tài)的變化，例如飛機(jī)當(dāng)前是前傾還是左右傾斜，機(jī)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(shí)時(shí)顯示飛行狀態(tài)，是飛行過(guò)程中必不可少的，它能幫助飛手實(shí)時(shí)了解飛行狀態(tài)。

3）視頻系統(tǒng)

1. 攝像機(jī)：拍攝無(wú)人機(jī)飛行路徑上的畫面。

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

3. 圖傳：將無(wú)人機(jī)在空中拍攝的畫面實(shí)時(shí)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(wú)人機(jī)圖傳系統(tǒng)，就是采用適當(dāng)?shù)囊曨l壓縮技術(shù)、信號(hào)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(chǎng)無(wú)人機(jī)所搭載的攝像機(jī)拍攝到的視頻以無(wú)線方式實(shí)時(shí)傳送到遠(yuǎn)距離后方的一種無(wú)線電子傳輸設(shè)備。

如果按設(shè)備的類型來(lái)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(diǎn)是只要圖傳發(fā)射端和接收端工作在一個(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)好于模擬圖傳系統(tǒng)，所以在工業(yè)級(jí)應(yīng)用中通常都采用數(shù)字圖傳。

4）遙控系統(tǒng)

控制無(wú)人機(jī)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(tái)。另外還有不是特別主流的藍(lán)牙、wifi、3G/4G等。

無(wú)人機(jī)遙控器一般成對(duì)出售，一個(gè)發(fā)射機(jī)，一個(gè)接收機(jī)。他們需要配對(duì)使用，不同廠家的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)有可能沒法通用，在購(gòu)買時(shí)需要確認(rèn)他們之間的協(xié)議是否一致。

發(fā)射機(jī)上裝有搖桿，旋鈕，開關(guān)等器件，飛手通過(guò)調(diào)整發(fā)射機(jī)上的這些器件來(lái)遠(yuǎn)程控制無(wú)人機(jī)。飛手給出的控制命令由接收機(jī)接收，接收機(jī)與飛控相連將信號(hào)轉(zhuǎn)遞給飛控。

遙控器還有一個(gè)美國(guó)手、日本手之說(shuō)。美國(guó)手與日本手是指無(wú)人機(jī)的操控方式，美國(guó)手是左手油門，日本手是右手油門，對(duì)應(yīng)不同的操控器油門方向桿的不同布局。

美國(guó)手：又稱左手油門。就是遙控器的左搖桿，負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)的上升下降、原地順時(shí)針/逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；遙控器的右搖桿，負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)在水平位置上的前后左右移動(dòng)。

日本手：又稱右手油門。與美國(guó)手的區(qū)別其實(shí)并不大，僅在于將控制無(wú)人機(jī)上升下降與前進(jìn)后退，進(jìn)行了對(duì)調(diào)。也就是左搖桿負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)的前進(jìn)后退、原地順時(shí)針/逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；遙控器的右搖桿，負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)的上升下降和左右移動(dòng)。

中國(guó)手：也有人稱作“反美國(guó)手”，因?yàn)槠渑c“美國(guó)手”完全相反，遙控器的左搖桿，負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)在水平位置上的前后左右移動(dòng)；遙控器的右搖桿，負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)的上升下降、原地順時(shí)針/逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

幾種操作方式并無(wú)好壞、難易之分，只不過(guò)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(guó)手吧，用的人多，淘汰以后也更好出手。