摘 要：近年來，隨著現(xiàn)代航空技術(shù)、智能電子技術(shù)、機器人技術(shù)及網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，無人機技術(shù)得到了迅速提高，在軍事和民用等領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。尤其在民用領(lǐng)域，無人機可以代替人類完成很多繁重甚至無法正常完成的工作。本文簡要介紹了目前在民用領(lǐng)域較普及的多旋翼無人機的飛行原理、平臺系統(tǒng)構(gòu)成、飛行控制、各分系統(tǒng)的構(gòu)成特點以及自診斷修復等知識。

關(guān)鍵詞：無人機；多旋翼；導航；飛控；動力系統(tǒng)；診斷修復

目前，無人機按照飛行平臺構(gòu)型分為固定翼、旋翼、無人飛艇、傘翼和撲翼等類型。其中旋翼無人機又分為單（雙）旋翼直升機、多旋翼無人機以及變模態(tài)旋翼機等類型。而多旋翼無人機以其機構(gòu)簡單、造價低、便于小型化生產(chǎn)以及便于很快掌握飛行技術(shù)等優(yōu)點，已廣泛應用于各類生產(chǎn)及生活當中。常見多旋翼無人機主要有四軸、六軸和八軸等類型。

一、飛行原理

簡單說，多旋翼飛行器是基于同一平臺上的多臺電動機帶動槳葉同時旋轉(zhuǎn)與空氣產(chǎn)生相對運動而獲得升力的。常用的有兩種架構(gòu)模式：X字模式和十字模式 。X模式以其效率高而得到廣泛使用。多個電機對稱分布在各個軸上，并且同一條軸線上電機的旋轉(zhuǎn)方向要保證相同，相鄰的電機旋轉(zhuǎn)方向相反， 是為了克服反扭矩的影響。通過控制各個電機的轉(zhuǎn)速來完成繞橫軸（X）的俯仰、繞縱軸（Y）的橫滾以及繞豎軸（Z）的偏航等飛行動作。

二、平臺系統(tǒng)

主要由結(jié)構(gòu)、飛控、動力和機載鏈路分系統(tǒng)構(gòu)成。其中結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)主要有機架、腳架和云臺等；飛控分系統(tǒng)包括主控、飛控軟硬件、外接式IMU（慣性測量單元）、各類外接傳感器以及GPS天線等；動力分系統(tǒng)主要包括螺旋槳、電機、電調(diào)和電池；機載鏈路分系統(tǒng)主要有遙控接收機、機載數(shù)傳模塊天線和機載圖傳模塊天線。具體由控制、姿態(tài)測量、電源供電、無線通信、GPS衛(wèi)星定位、遙控器控制、電機驅(qū)動、串口通信、地面站等模塊組成。

三、飛行控制

飛行控制器簡稱飛控，是無人機的核心構(gòu)件。飛控獲得從機載接收機發(fā)出的PWM（脈寬調(diào)制）信號，隨后把該信號轉(zhuǎn)化成控制量，再經(jīng)過PID（比例積分微分）調(diào)節(jié)把輸出量輸送給給各個電機來控制飛行器的動作。GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)檢測到4顆以上衛(wèi)星就可以配合上位機輸入對應坐標點讀取定位數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)就會自動生成航線，并且與存儲的定位坐標做實時的對比來修正航線?，F(xiàn)在的飛控都帶有電子陀螺儀，磁羅盤，加速度計，氣壓計等傳感器，在姿態(tài)穩(wěn)定的模式下，通過軟件算法來解析飛行器姿態(tài)，修正由于飛行器安裝、外界干擾、零件之間的差異等原因形成的姿態(tài)異常，幫助保持穩(wěn)定狀態(tài)。一些安裝有GPS的飛控可以在遙控失控等特殊情況下自動返回起飛點。

四、動力系統(tǒng)

（一）電機

通常選用外轉(zhuǎn)子無刷交流同步電動機，參數(shù)主要有大小尺寸、KV值、匝數(shù)和效率。尺寸是指電機定子線圈直徑和高度，KV值是指每外加1V的電壓電機每分鐘空轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，定子線圈匝數(shù)用多少T表示，例如：9T。同等電壓下，匝數(shù)多的KV值小而扭矩大適合帶大槳；而匝數(shù)少的KV值大而扭矩小適合帶小槳。效率的標注方式是g/W（克/瓦），電機電流控制在3-5A時效率是最高， KV值越小效率越高。正常飛行時的效率保持8g/W以上，可保證良好的續(xù)航能力。

（二）電池

主要包括：鎳氫電池、鎳鉻電池和鋰聚合物電池等。前兩種電池因重量重、能量密度低已被聚合物鋰電池所取代。電池的標稱主要有電壓、容量和放電能力。放電能力用多少C表示，最大持續(xù)放電電流是電池容量乘以C，例如：5200mAh電池最大的持續(xù)放電電流就是5.2*30=156A；電池電壓由串聯(lián)的片數(shù)決定，用多少S表示，單片的充滿電壓為4.2V，額定電壓為3.7V，而終止放電電壓不得低于2.5V。例如：4S鋰電池充滿電壓為4*4.2V=16.8V，額定電壓為4*3.7V=14.8V，放電終止電壓為4*2.5V=10V。

（三）螺旋槳

螺旋槳規(guī)格由4位數(shù)字表示，前兩位數(shù)表示槳徑，后兩位數(shù)表示螺距。槳的材質(zhì)主要有塑料、碳纖和木質(zhì)三種。當然是選擇碳纖維槳最好，如果載重很大的話可以選擇櫸木槳。一般情況，大KV值配小槳，小KV值配大槳；同樣KV的電機，使用不同電壓的電池，用的螺旋槳也有區(qū)別，每個電機都會有一個推薦的螺旋槳；還有天熱時就要用小些的槳，防止電機過熱，而在北方冬季，可以用大些的螺旋槳來抵消電池低溫放電性能下降。

（四）電子調(diào)速器

電子調(diào)速器（ESC）簡稱電調(diào)，它是根據(jù)飛控的控制信號，將電池的直流輸入轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢l率的交流輸出，用于控制電機的轉(zhuǎn)速。電調(diào)規(guī)格標注的是其瞬時承受電流，一般要選用高于飛行器懸停電流的4～5倍。電調(diào)的供電能力是指如果電調(diào)上標注BEC5V1A，表明可以通過杜邦線向飛控或接收機提供5V電壓和5W的功率。電調(diào)接電機的三根線中任意調(diào)換兩根就可改變電機轉(zhuǎn)向，通過遙控器設置電調(diào)時一定要接上電機。

五、通訊鏈路

無人機與控制站之間的實時信息交換需要通過通訊鏈路來實現(xiàn)。目前，民用無人機通訊鏈路主要就3條：

一是手持遙控器（RC）與機載接收機的單向上傳鏈路（72M、433M、2.4G）；

二是筆記本電腦鏈接的數(shù)傳發(fā)射模塊與機載接收模塊的雙向通訊鏈路（900M、2.4G）；

三是機載圖傳發(fā)射模塊與地面接收模塊的單向下傳鏈路（1.2G、2.4G、5.8G）。

六、故障診斷與自修復

復雜飛行環(huán)境下的故障診斷與容錯能力可以提高無人機飛行的安全性、可靠性及早期故障的適應與防護能力，同時自診斷與自修復能力也是構(gòu)成完全自主飛行控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。目前，不斷增大的無人機架構(gòu)和其昂貴的任務設備要求無人機自我修復的最佳方案就是構(gòu)造雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，以保證在發(fā)生故障時可以自行啟動輔助控制，產(chǎn)生報警信息，從而實現(xiàn)自我修復保護飛行器自身安全。

當前，雖然多旋翼無人機越來越得到廣泛應用，但同時也面臨動力裝置缺陷，續(xù)航能力不足，智能化程度不夠以及機動能力差等缺點。在復雜多變的環(huán)境條件下如果缺乏人的控制干預，容易出現(xiàn)意外情況發(fā)生。因此，筆者認為，提高無人機續(xù)航和機動能力、更高智能自主飛行控制、決策、管理及健康診斷和自修復將成為其今后研發(fā)的重點。

作者簡介：劉遠星（1967-），男，石家莊市機械技工學校電氣專業(yè)部主任。