在多旋翼(yì)迅速发展的同(tóng)时(shí),其(qí)相应的零部件供应(yīng)日益(yì)多样(yàng)。因为多旋翼的载重(chóng)根(gēn)据(jù)需求各不相(xiàng)同,所以对应的“最优”零部(bù)件组合包括多旋翼(yì)构型(四旋翼、六旋翼还是八旋翼)也(yě)各不相同。
多旋翼的动力系统(tǒng)由航模电池、电子调(diào)速器、直流无刷电(diàn)机、螺旋桨四个部分组(zǔ)成(chéng),各部分器件均(jun1)具(jù)有一定的规格和相(xiàng)应的性能(néng),所(suǒ)以(yǐ)该四部(bù)分具有相应的最佳匹(pǐ)配组合。工程经验上的“高KV值电机配小桨,低KV值配(pèi)大桨”隐(yǐn)含的就是这个道(dào)理。对于螺旋桨,主(zhǔ)要考虑其尺寸规格对其升阻(zǔ)性能的(de)影响。对(duì)于电机,主要(yào)考虑其不同型号KV值的不同对(duì)电机转速的影响,同时(shí)电机的性(xìng)能是否(fǒu)优越还要取(qǔ)决于其标称(chēng)空(kōng)载电流和空载电压、以(yǐ)及电枢内阻。对于电调,主要考虑其最大限制电流,其内(nèi)阻对电池电压将起到一定的降压作用。对于电池,主要(yào)考虑其总容量大小影响多旋翼(yì)的续航时长及(jí)其(qí)最(zuì)大放电倍率限(xiàn)制其(qí)放(fàng)电最大电(diàn)流。
一、螺旋桨(jiǎng)作用
螺旋桨是直接产生推力的(de)部件,同样是以追求(qiú)效率为第一目的。匹配的(de)电(diàn)机、电(diàn)调和螺(luó)旋桨搭配(pèi),可以在(zài)相同的推(tuī)力(lì)下耗(hào)用更少的电量,这样就能延(yán)长多旋翼(yì)的续航时间。因此,选择最(zuì)优的螺旋桨是提高续航时间的(de)一条捷径。螺旋桨是有正(zhèng)反两(liǎng)种方向的,因为电机驱动螺旋桨转动时,本身会产生一个反扭力,会(huì)导致机架反向(xiàng)旋转。而通(tōng)过一个电机正向(xiàng)旋转、一个电机反向旋转,可以互相抵消这种反扭力,相对应的(de)螺(luó)旋桨的方向也就相反(fǎn)了(le)。
二、电机作(zuò)用
多旋翼(yì)的电机主要以无刷(shuā)直流电机为主,将电能转(zhuǎn)换成机械能。无刷直(zhí)流(liú)电(diàn)机运转时靠电子电路换向,这(zhè)样(yàng)就极大减少了电火花对(duì)遥控无线电设备的干扰,也减小(xiǎo)了噪音。它一头固定在机架力臂的(de)电(diàn)机座(zuò),一头固定螺(luó)旋桨,通过旋转产生向下的推(tuī)力。不同大(dà)小、负载的机架,需(xū)要配合不同规格、功率(lǜ)的电机。
三、电调(diào)作(zuò)用
电调全称(chēng)电子调速器,英文Electronic Speed Control,简称ESC。飞控板(bǎn)提供的电流无法直接驱动无刷电机,它需要通过电调最终控制电机(jī)的转速。电调最(zuì)基本的功(gōng)能就是电(diàn)机调(diào)速(通过飞控板给定电压进行调节(jiē)),其次(cì),还可以为遥控接收器上其(qí)它通道的舵机供电。而无刷电调多(duō)了一个(gè)重要功能,就是充当(dāng)换相(xiàng)器的(de)角色,因为无刷电机没有电刷进行换相(直(zhí)流电源转化(huà)为三相(xiàng)电源供(gòng)给无刷电机(jī),并对无刷电(diàn)机起(qǐ)调速作用),所以需要(yào)靠(kào)电调进(jìn)行电(diàn)子换(huàn)相。当(dāng)然(rán),电调还有一些其它辅助功能(néng),如电池保护,启动保护、刹(shā)车等。电(diàn)调(diào)的作用就是将多(duō)旋翼飞行控制单元的控制信号快速转变(biàn)为(wéi)电枢电压大小和(hé)电流的大小,以控制电机(jī)的转速(sù)。因为电(diàn)机的电流(liú)是很大(dà)的,如(rú)果(guǒ)没有(yǒu)电调的存在(zài),单(dān)靠电池供(gòng)电是无法给无刷(shuā)直流电机供电的(de),同时飞控板又没(méi)有这么大的放电(diàn)功率(lǜ),所以电调对电机(jī)而言是至关重要的驱动电路。电调的另(lìng)一个作用是为机(jī)载其他(tā)电(diàn)子(zǐ)设备(bèi)提供稳压电源(yuán)。
电(diàn)调都会标上多少A,如(rú)30A,50A。这(zhè)是电调(diào)最大允许通过(guò)电流(liú)大小,超过该电流值(zhí)电调会被损坏。同时(shí),电调具有相应内阻,其发热功率(lǜ)需要得到(dào)注意。有些电调(diào)电流可以达到(dào)几十安培,发(fā)热功率是电流的平方的函数,所(suǒ)以电调的散热性能也十分重要(yào),因此大规(guī)格电(diàn)调内(nèi)阻一般都比较小。
四、电池作用
电池主要用于(yú)提供能量。目(mù)前航模最大的问题在(zài)于续航时间不(bú)够,其(qí)关键就在于电池容量的大(dà)小。现在可用来做模型动力的电池(chí)种类很多,常见的有(yǒu)锂(lǐ)电池和(hé)镍氢电池,主要源于其(qí)优(yōu)良的性能和便宜的价格优势。然(rán)而,对于(yú)多(duō)旋(xuán)翼无人机而言,电池单位重量的能量载荷很大程度上(shàng)限制了(le)其飞行时间和任务(wù)拓展(zhǎn)。
电(diàn)池的(de)基本特(tè)征主要有电(diàn)压、放电容量、内阻大小、放电倍(bèi)率。航(háng)模(mó)专用锂聚合物(wù)电池单节标(biāo)称电压一般为3.7V,充满电可(kě)到4.2V,一般为保证总够电池容量及电压,可将三(sān)节电池串联使用。在实际过程(chéng)中,在电池的放(fàng)电过程中,电池容量逐渐减小,并且研究表明在(zài)某些区域,电池剩余(yú)容量与电(diàn)池电流基本呈线(xiàn)性下降关(guān)系。而在电池放电后期,电池容(róng)量随电流(liú)的变化可能是(shì)急剧下降,所以一(yī)般会设(shè)置航模电池安全电压,3.4V或者其他,视具体(tǐ)情况而定(dìng),确保无人机(jī)在电池耗完前有足够的电量返航。另外(wài),不仅在放电过程中电压会下降(jiàng),而且由于电池(chí)本(běn)身具(jù)有(yǒu)内阻,其(qí)放(fàng)电电流越大(dà),自身由于内(nèi)阻导致(zhì)的(de)压降就越大(dà),所以(yǐ)输出的电压就越小。特别注意,在电池使用过程中,不能使电池(chí)电(diàn)量(liàng)完全放(fàng)完,不然会对(duì)电池造成电量无法恢(huī)复的损伤。
锂电池组包含两部分:电池和锂电池保护线路。在电池组(zǔ)中是(shì)把多个电池串联起来,得到所需要的工作电压。如(rú)果所需要的(de)是更高的容量和更大的电流,那就应该把电池并联起来。
多旋翼的动力系统是多(duō)旋翼能量的来(lái)源,直接关系(xì)到飞行(háng)器的悬停时间、最大负载重(chóng)量和飞行距离等重(chóng)要的指标。本章从能量的角(jiǎo)度,分析多旋翼的这些性能。总体(tǐ)来(lái)说,我们希望避免能量的损失,得到最高的(de)系统效率,电调、电机和电池(chí)内部(bù)电阻(zǔ)越小越好。为了提高飞行器(qì)的悬停时间、最大负(fù)载(zǎi)重量和飞行(háng)距离,电(diàn)池容量越大越好。然而容量越大(dà),重量(liàng)也(yě)就越大。重量(liàng)越大,反过来也会减少悬停时间、最大负载重量和(hé)飞行距离。有时候,设(shè)计的(de)多旋(xuán)翼根(gēn)本飞不起来,或(huò)者(zhě)飞起来的时间很(hěn)短。
图示:昆明劲鹰多旋翼无人机(jī)

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