什么是电机的KV值
KV的概念是指无刷电机工作电压每提升1V无刷电机所增加的转速。以往的直流电机我们在介绍其性能时,会举例其在12V时该电机是多少转。无刷电机引入了KV的概念,能够使我们了解到该电机在不同的电压下所产生的空载转速(即没有负载)。KV与转速的公式为: KV值 X 电压 = 空载转速(每分钟) 例如,MG-1的电机其KV值为130KV,其工作最大电压为50.4V,可知其最大空载转速为: 130KV X 50.4V = 6552RPM 其中RPM的含义为:转/每分钟 但是要注意的是,实际上空载速度都会高于实际的负载转速,并且负载越大其实际转速会更低。 电机KV值的选择,取决于系统的工作电压,最终取决于电机的负载转速。例如同样一套飞行器,使用22.2V电压其电机KV为500KV,可知其空载转速为500*22.2=11000RPM;如果该飞行器使用11.1V电压,其电机KV值应为11000/11.1=1000KV。
什么是磁罗盘
整个地球是拥有磁场的,类似常见的磁铁所形成的完整磁场。地球磁场,近似于把一个磁铁棒放到地球中心,N极大体上对着地理南极,S极大体对着地理北极。磁极与地理极不完全重合,存在磁偏角。当然,地球中心是高温状态并没有磁铁棒,而是通过外核的电子随地球自转的电流效应(近似于电生磁)产生磁场的。地球磁场属于电磁场,随地球公转而不随地球自转。
什么是X型多旋翼
作为多旋翼中最基础也是最常见的气动布局,由于其优异的性能与简单的结构,深受众多多旋翼爱好者的喜爱。 X型气动布局是在飞行器前进方向的等分角度(左前-右前距机头方向均45°,机尾相同)放置相反方向电机以抵消电机转动时的反扭力。基于相同原理,x型的6旋翼、8旋翼具有x型4旋翼的特性的同时,还拥有比4旋翼更好的结构效率、承载重量以及冗余度等性质,深受航拍、影视行业用户青睐。
什么是IMU惯性导航单元
包含加速度计、角速度计和气压高度计,是高精度地感应飞行器姿态、角度、速度和高度的传感器集合体,在飞行辅助功能中充当极其重要的角色。
锂聚合物电池的基本概念及参数
锂聚合物电池,英文LI—polymer,简称LIPO,是一种能量密度高、放电电流大的新型电池。同时,锂电池使用起来相对脆弱,对过充过放都极其敏感,在使用中应该熟练了解其使用性能。锂聚合物电池充电和放电过程,就是锂离子的嵌入和脱嵌过程,充电时锂离子由负极脱离嵌入正极,而在放电时,锂离子脱离正极嵌入负极。一旦锂聚合物电池放电导致电压过低或者充电电压过高,正负极的结构将会发生坍塌,导致锂聚合物电池受到不可逆的损伤。
锂电池的使用及维护
注意,锂聚合物电池性能总体相对“娇嫩”,必须严格按照正确的方法进行使用和维护,否则容易产生鼓包膨胀,导致电池不可逆的损伤。
锂电池充电器的基本参数
输入电压完整的锂电池平衡充电器其内部应至少含有两部分,一部分为交流转直流并降压电路,一路为平衡充电电路。对于完整的平衡充电器,其输入电压往往是市电交流220V,或者是110V交流。
拉力以及推重比
该电机在最大功率下所能产生的最大拉力,也直接反应了电机的功率水平。多旋翼飞行器要求其所有电机总推力必须大于机身自重一定比例,才能保障飞行器的飞行性能和飞行安全。这个比例我们称之为推重比,多旋翼的推重比都必须大于1,常见的在1.6-2.5,推重比反应了飞行器动力冗余情况,过低的推重比会降低多旋翼飞行器的飞行性能以及抗风性。在一定范围内其推重比越低,说明电机的工作强度越高,电机工作效率会不断下降。
三种无人机平台的性能差别
在续航和载重方面,固定翼无人机可以以较低功率进行巡航,而旋翼类无人机螺旋桨产生的升力必须一直大于或等于机身的重量,所以固定翼无人机的飞行效率是最高的;而直升机与多旋翼相比,其螺旋桨直径更大,飞行效率更高。
风向对无人机操作的影响
风向从来都是飞行器飞行的重要影响因素,逆风飞行将降低飞行器的飞行速度,而顺风飞行恰恰相反。有较大的侧风则会对飞行器的降落造成降落困难或者侧翻,降落时应注意风的方向。 另外,在风速较大时,应尽量避免飞到下风向较远距离,这是因为如果风速过快,飞行器返回起飞点的过程将全程逆风,有可能导致飞行器返回困难或者电量耗尽仍未回到起飞点。 而在进行植保作业时,应避免操作人员处在下风向,因为农业植保机产生的药物有可能产生漂移而随风飘散,导致操作人员吸入有毒药雾。
飞控系统的连接
整个系统的连接,我们以大疆创新的A2飞控为例,IMU以及GPS整合汇入主控;PMU一侧连接主电源,一侧连接主控对飞控进行供电;所有的电调接入主控,电调另外一侧接电机,主控通过对电调的控制进而对整个动力系统进行控制;LED由PMU进行供电。如下图所示. 主控是整个飞行控制系统的核心,通过它将IMU、GPS指南针、遥控接收机等设备接入飞行控制系统从而实现飞行器的所有功能。除了辅助飞行控制以外,某些主控器还具备记录飞行数据的黑匣子功能,比如:DJI的Ace One。主控单元还能通过USB接口,进行飞行参数的调节和系统的固件升级。
多旋翼无人机植保作业的优势
农业植保机已经广泛应用在农作物植保,同时,可利用无人机进行低空农田信息采集,可以准确清晰地获得农田信息,实现精准农业。利用多旋翼农业植保无人机进行植保作业具有以下几个特点。 多旋翼农业植保机操纵简单,起降方便,不需要专门的起降场地。以大疆创新的农业植保机MG-1为例,该机型适龄普通人经过一周左右的培训基本就可进行操作,实际操作时飞手只需进行起飞与降落,在进入智能作业模式之后只需对飞行器进行观察即可。
多旋翼无人机系统构成
多旋翼无人飞行器系统主要由飞行器平台(机架)、飞控系统、动力系统、任务设备、显示系统、控制系统、通讯链路天空端、通讯链路地面端共同构成。 飞行器平台也就是指整个机身,它提供了飞行器的基本框架,装载各种设备、电池乃至其他机身配件。动力系统则由电机、电子调速器、螺旋桨、电池、充电器共同构成,为整个飞行器提供飞行的动力,其中充电器属于地面设备。任务设备则是多旋翼无人飞行器实施具体功能的载体,在不同作用的飞行器上其任务设备也明显不同。
多旋翼无人机螺旋桨的主要参数
螺旋桨的主要参数包括长度、螺距,一款螺旋桨的命名也是根据这两个因素进行命名的,例如MG-1所用的21*7螺旋桨,即表示其长度为21英寸,螺距为7。另外,螺旋桨的动平衡是否良好也是其性能重要指标之一。 目前螺旋桨的长度主要包括英寸以及厘米,英寸更为常用,一英寸为2.54厘米。因为飞行器最先是由西方发展而来,所以在长度单位还遗留了之前的习惯。在同样的转速下,螺旋桨的长度越大其负载也越大,对电机的功率要求也越大。
多旋翼无人机控制原理
以四旋翼飞行器为例,飞行原理如下图所示,电机1和电机3逆时针旋转的同时,电机2和电机4顺时针旋转,因此飞行器平衡飞行时,陀螺效应和空气动力扭矩效应全被抵消。与传统的直升机相比,四旋翼飞行器的优势就是各个旋翼对机身所产生的反扭矩与旋翼的旋转方向相反,因此当电机1和电机3逆时针旋转时,电机2和电机4顺时针旋转,可以平衡旋翼对机身的反扭矩。
多旋翼无人机机架的主要参数
机架的重量应当是在保证机身坚固性的前提下更轻为最佳,因为这可以降低机身负载,提升飞行器的续航时间。 轴距是指多旋翼对角线两个等级轴心中心的距离,一般单位为毫米,用于表达机架的大小。例如常见的大疆风火轮F450,其轴距是450 mm,大疆农业植保机MG-1,其轴距是1520 mm。
多旋翼无人机飞控系统构成
飞行控制系统通过高效的控制算法内核,能够精准地感应并计算出飞行器的飞行姿态等数据,再通过主控制单元实现精准定位悬停和自主平稳飞行。 在没有飞行控制系统的情况下,有很多的专业飞手经过长期艰苦的练习,也能控制飞行器并非常平稳地飞行,但是,这个难度和要求非常高,同时需要非常丰富的实践经验。如果没有飞行控制系统,飞手需要时时刻刻关注飞行器的动向,眼睛完全不可能离开飞行器,时刻处于高度紧张的工作状态。而且,人眼的有效视距是非常有限的,即使能稳定地控制飞行,但是控制的精度也很可能满足不了航拍的需求,并且控制距离越远,控制精度越差。还有,对于不同的拍摄需求,以及不同的拍摄环境或条件,人为飞行控制更是难上加难,甚至根本不可能实现。飞行控制系统是目前实现多旋翼无人飞行器简单操控和精准飞行的必备条件。
多旋翼无人机发展历史(2)
20世纪90年代之后,随着微机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)研究的成熟,重量只有几克的MEMS惯性导航系统被开发运用,使制作多旋翼飞行器的自动控制器成为现实。2005年,德国生产出了MD4-200,成为了第一部能够实现自主悬停并且能够具备半自助飞行的多旋翼飞行器。
多旋翼无人机发展历史(1)
在前面的章节我们已经介绍过,多旋翼飞行器是一种不稳定的飞行系统,其无法实现自稳。所以,其对飞行自稳系统的依赖性也就非常高,所以尽管莱特兄弟的固定翼飞机在1903年就已经起飞,而直升机也在20世纪40年代就已经成功运用,但是对于多旋翼飞行器的成功飞行直到自动化控制越来越先进的21世纪才真正实现。
多旋翼无人机动力系统构成
多旋翼飞行器的动力系统由电池、充电器(地面设备)、电子调速器、电机、螺旋桨等构成。螺旋桨是最终产生升力的部分,由无刷电机进行驱动,而整个飞行器最终是因为螺旋桨的旋转而获得升力并进行飞行。在多旋翼飞行器中,螺旋桨与电机进行直接固定,螺旋桨的转速等同于电机的转速。无刷电机必须在无刷电子调速器(控制器)的控制下进行工作,它是能量转换的设备,将电能转换为机械能并最终获得升力。电子调速器由电池进行供电,将直流电转换为无刷电机需要的三相交流电,并且对电机进行调速控制,调速的信号来源于主控或者接收机。电池是整个系统的电力储备部分,负责为整个系统进行供电,而充电器则是地面设备,负责为电池进行供电。