在多旋翼迅速发展的同时,其相应(yīng)的零部件供应日益(yì)多(duō)样。因(yīn)为多旋翼(yì)的(de)载重(chóng)根据需求各不相同,所(suǒ)以对应的“最优”零部件组合包(bāo)括多旋(xuán)翼构型(四旋翼、六旋(xuán)翼(yì)还是八(bā)旋翼)也各(gè)不相(xiàng)同。
多旋翼的动(dòng)力系统由(yóu)航模电池、电子调速(sù)器、直流无(wú)刷电(diàn)机、螺旋桨四个部分组成,各部分器件均具有一定的规格和相应的性能,所以该四部(bù)分(fèn)具有相应的最佳(jiā)匹配组合。工(gōng)程经验上的“高KV值电机(jī)配小桨(jiǎng),低KV值配(pèi)大桨”隐含的就是这(zhè)个道理(lǐ)。对于螺旋桨,主要考虑其尺寸规格对(duì)其升阻性能的影响。对(duì)于电机,主要考虑其不同型(xíng)号KV值的不同(tóng)对电机转速的影(yǐng)响,同时电机的性能是否优越还要取决于其标(biāo)称(chēng)空载电流和空载电压、以及电(diàn)枢内阻。对于电调,主要考(kǎo)虑其最大限(xiàn)制电流,其内阻对电池电压将起到一定的降(jiàng)压作用。对于电池(chí),主(zhǔ)要考虑其总容量大小影响多(duō)旋翼的(de)续航时长及其(qí)最大(dà)放电倍(bèi)率(lǜ)限制其(qí)放电最大电流。
一(yī)、螺旋桨作用
螺旋桨是直接(jiē)产(chǎn)生推力(lì)的部件(jiàn),同样(yàng)是以(yǐ)追求效率为第一目的。匹配的(de)电机、电调和螺(luó)旋桨搭配,可以在相同的推力下耗用更少的电(diàn)量(liàng),这样(yàng)就能延长多旋(xuán)翼的(de)续航时间。因(yīn)此,选择最优的螺旋(xuán)桨(jiǎng)是提高续航时间的(de)一条(tiáo)捷径。螺旋(xuán)桨是(shì)有正(zhèng)反(fǎn)两种方向的,因为电(diàn)机驱动螺旋(xuán)桨转动时,本(běn)身会产生(shēng)一个(gè)反(fǎn)扭力,会导(dǎo)致机架(jià)反(fǎn)向旋转。而通过一个电机(jī)正向旋转、一个电(diàn)机反向旋(xuán)转,可(kě)以(yǐ)互(hù)相抵消这种反(fǎn)扭力(lì),相对应的螺旋桨的方向也就(jiù)相反了。
二(èr)、电机作用
多(duō)旋翼的电机主要(yào)以无(wú)刷直流电机为主,将电能转换成机械能。无刷直流(liú)电机运转时靠电子电路(lù)换向,这样就极大减少了电火花(huā)对遥控无线电设备的干扰(rǎo),也减小了噪音。它一头固定在机(jī)架力臂的电机座,一头固定螺旋桨,通过(guò)旋(xuán)转产生向(xiàng)下的推(tuī)力。不同(tóng)大小、负(fù)载的机(jī)架(jià),需要配合不(bú)同规格、功率的电机。
三、电调作用
电调全称(chēng)电子调速器(qì),英文Electronic Speed Control,简称ESC。飞控板提供的电(diàn)流无法直接驱(qū)动无刷电(diàn)机,它需要通过电调最(zuì)终控(kòng)制电机的转速。电调(diào)最基本(běn)的(de)功能就(jiù)是电机调(diào)速(通过飞控(kòng)板给(gěi)定电(diàn)压进(jìn)行调节),其次,还(hái)可以为遥(yáo)控接收(shōu)器上其它通道的舵机供电。而无刷电调多了一个重(chóng)要功(gōng)能,就(jiù)是(shì)充当换相器的角色,因为无刷电机没有电(diàn)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(shuā)电机起调(diào)速(sù)作用),所以需要靠电调进行电子换相。当然,电调(diào)还有(yǒu)一(yī)些(xiē)其它辅(fǔ)助功能,如(rú)电池保护,启动保护、刹车等。电调的作用就是将多(duō)旋(xuán)翼飞行控制单元的控制信号快(kuài)速转变为电枢电压大小和(hé)电(diàn)流的大小,以控制电(diàn)机的转速。因为(wéi)电机的电流是很大的,如果(guǒ)没有电调的存在,单靠电池供电是(shì)无(wú)法(fǎ)给无刷直流电机(jī)供电(diàn)的,同(tóng)时(shí)飞控板又没有这么(me)大的放电功(gōng)率(lǜ),所(suǒ)以电调(diào)对电(diàn)机而言是至关重要的驱动电(diàn)路。电(diàn)调的另一个作用是(shì)为机(jī)载其他电子设备提供稳压电源。
电调都会标上多少A,如(rú)30A,50A。这(zhè)是电调最大允许通过电流大小,超过该电流值电调会被损坏。同时(shí),电(diàn)调(diào)具有相(xiàng)应内阻(zǔ),其(qí)发热(rè)功率需要得到注意(yì)。有些电调(diào)电流可(kě)以达到几十安培,发热功率是电流(liú)的平方的函数,所以电调的散热性能也十分重(chóng)要,因此大规格电(diàn)调内阻一(yī)般都比较(jiào)小。
四、电池作用
电池(chí)主(zhǔ)要用(yòng)于提供能量。目前航模最大的问题在于(yú)续航时间不够,其关键就在于电(diàn)池容量的大小。现在可用来(lái)做模型(xíng)动力的电池种(zhǒng)类很(hěn)多,常见的有锂电池和镍氢电池,主要源于其优(yōu)良的性能和便宜(yí)的价(jià)格优势。然(rán)而,对于多旋(xuán)翼无人机而言,电池单位重量的能量载荷(hé)很大程(chéng)度上限制了其飞行时间和任务拓展。
电池的基本特征主要有电压、放电容(róng)量、内阻大小、放(fàng)电倍(bèi)率。航模专用锂聚(jù)合物电(diàn)池(chí)单节标(biāo)称电压一般为(wéi)3.7V,充满电可到4.2V,一般为(wéi)保证总够电池(chí)容量及电压,可将三节电池串联使用(yòng)。在实际过程中,在(zài)电(diàn)池的放电过程中,电池容量逐渐减小,并(bìng)且研究(jiū)表明在某些区域,电池(chí)剩余容量与电池电流基本呈(chéng)线性下降关系。而在(zài)电池放电后(hòu)期,电池(chí)容量随电流的变化可能是急剧(jù)下降,所以一般会设置航模电池安全电压,3.4V或者其(qí)他,视(shì)具(jù)体情况而定,确保无人机在(zài)电池(chí)耗(hào)完前有足够的电(diàn)量返(fǎn)航。另外,不仅在(zài)放电过程中电压会下降,而(ér)且由于电池本身具有内阻,其放电电流越(yuè)大,自身由于(yú)内(nèi)阻导(dǎo)致的压降就越大(dà),所以(yǐ)输(shū)出的电压就越小(xiǎo)。特别注意,在电池使用过程中,不能使电池(chí)电量完全放完,不然会(huì)对电池造成电(diàn)量无法恢复(fù)的(de)损伤。
锂电池(chí)组包含(hán)两部(bù)分:电池和锂电池保护线路。在电池(chí)组中(zhōng)是把多个电池串(chuàn)联(lián)起来,得到(dào)所需(xū)要的(de)工作电压(yā)。如果所需要的是(shì)更高的容量和更大的电流(liú),那就应该把(bǎ)电池并联(lián)起来。
多旋翼的动(dòng)力系(xì)统是多旋翼能量的来源,直接关系到飞行器的悬停时间、最大(dà)负载重量和飞行距离等重要的指标。本章从(cóng)能(néng)量(liàng)的角度,分析多旋翼的这些(xiē)性能。总体来说,我们希望避免能量的损失,得到最高的系(xì)统效率,电调、电机和电池内(nèi)部电阻越小越好(hǎo)。为了提(tí)高飞(fēi)行器的悬停时间、最大负载重量和飞行距离,电池容量越大越好。然而容量越大,重量也就越大。重(chóng)量越大,反过来也(yě)会(huì)减少悬停(tíng)时间(jiān)、最大负载(zǎi)重量(liàng)和飞行距离。有时候,设计的多(duō)旋翼根本飞不起(qǐ)来,或者(zhě)飞起来的时间很短。
图示:昆明劲鹰多旋(xuán)翼(yì)无人机

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