在多旋翼迅速(sù)发展的同时,其相应的零部件供应(yīng)日益多样。因为多旋(xuán)翼的载重根据(jù)需(xū)求各(gè)不相同,所以(yǐ)对应的“最优”零(líng)部件组合包括多(duō)旋翼(yì)构型(四(sì)旋翼、六旋(xuán)翼还是八旋翼)也各(gè)不相同。
多旋翼的动力系统由(yóu)航模电(diàn)池、电(diàn)子调速(sù)器、直(zhí)流无刷(shuā)电机、螺旋桨四个部分组成,各部分器件均具有一(yī)定的规格和相(xiàng)应(yīng)的性能,所(suǒ)以该四部分具(jù)有(yǒu)相应的最佳(jiā)匹配组合。工程经验上的“高KV值电机配小桨,低KV值配大桨”隐(yǐn)含(hán)的(de)就是这个道理。对于螺旋桨(jiǎng),主要考(kǎo)虑其尺寸规格(gé)对其升阻性能的影响。对于电(diàn)机,主要考(kǎo)虑其不同型号KV值(zhí)的不同对电机转速的影(yǐng)响,同时电机的性能(néng)是否优越(yuè)还要取(qǔ)决于(yú)其标称空载电流和(hé)空载电压、以及(jí)电(diàn)枢内阻(zǔ)。对于电(diàn)调,主要考虑其最大(dà)限(xiàn)制(zhì)电流,其内阻(zǔ)对电池电压将起到(dào)一(yī)定的降压作用。对于电池,主要考虑(lǜ)其总容量(liàng)大小影响多旋翼的续航时长及其最大放电倍率限制其放电最大电流。
一、螺旋桨作用
螺旋桨(jiǎng)是直接产生(shēng)推力的部件,同(tóng)样是(shì)以追求效率为第一目的。匹配(pèi)的电机、电调和螺旋(xuán)桨搭(dā)配,可(kě)以(yǐ)在相(xiàng)同(tóng)的推(tuī)力下耗用更少(shǎo)的电量,这样(yàng)就能延长(zhǎng)多旋翼(yì)的(de)续航时间。因此,选择最优的螺旋桨是提高续航时间的(de)一条(tiáo)捷(jié)径。螺旋桨(jiǎng)是有正反两(liǎng)种方向的(de),因为(wéi)电机(jī)驱动(dòng)螺旋桨转动时,本(běn)身会(huì)产生(shēng)一个反扭(niǔ)力,会导致机架反向旋转。而(ér)通过(guò)一个电机正向旋转、一个电机(jī)反向旋转(zhuǎn),可以(yǐ)互相抵(dǐ)消(xiāo)这种反扭力,相对应的螺(luó)旋桨(jiǎng)的(de)方向也就相反(fǎn)了。
二、电机作用
多旋翼的电机主(zhǔ)要以无刷(shuā)直流电机为主,将(jiāng)电能转换成(chéng)机(jī)械能(néng)。无刷直流电机运转时靠电子电路换向,这(zhè)样就极(jí)大减(jiǎn)少了电火(huǒ)花对(duì)遥控无线电设备的干扰,也减小(xiǎo)了噪音。它(tā)一头固定在机架力臂的电机座(zuò),一头(tóu)固定螺旋(xuán)桨(jiǎng),通过旋转产生向下的推力。不同大小、负载的机架,需(xū)要配合不同规格(gé)、功率的电(diàn)机。
三(sān)、电(diàn)调作用
电调全称电子调速器,英(yīng)文Electronic Speed Control,简称ESC。飞控板提供的电流无法直接驱(qū)动无刷电机,它需要(yào)通过电(diàn)调最(zuì)终控制电机的转速。电调(diào)最基本的功能就是(shì)电机调速(sù)(通过飞(fēi)控板(bǎn)给定(dìng)电(diàn)压进行调节),其(qí)次(cì),还可以(yǐ)为(wéi)遥控(kòng)接收(shōu)器上其它(tā)通道的舵(duò)机供电。而无刷电调多了一(yī)个重要功(gōng)能,就(jiù)是充当换相器的(de)角(jiǎo)色,因为(wéi)无刷电机没(méi)有电刷进行换相(直流电(diàn)源转化为三相电源供给无刷电(diàn)机,并对无刷电机起(qǐ)调(diào)速作用(yòng)),所以需要靠电调(diào)进(jìn)行电(diàn)子换相。当然,电调(diào)还(hái)有(yǒu)一些(xiē)其它辅助功能,如(rú)电池保护,启动保护(hù)、刹(shā)车等(děng)。电(diàn)调的作用就是将多旋翼飞行控制单元的控(kòng)制信(xìn)号(hào)快速转变为(wéi)电枢电(diàn)压大小和电流(liú)的大小,以控制电机的转速。因(yīn)为电机的电(diàn)流是很大的,如果没有(yǒu)电调的存在,单靠(kào)电池供电是(shì)无法给无刷直流电机(jī)供电的,同时飞(fēi)控板又没有(yǒu)这么大的(de)放电功率,所以电调对电机而(ér)言是(shì)至(zhì)关重(chóng)要的驱动电(diàn)路(lù)。电调的(de)另一个作用是为机载其他电子设备提供稳压电源。
电调都(dōu)会标上多少(shǎo)A,如30A,50A。这(zhè)是电调最大(dà)允许通过电流(liú)大(dà)小,超过该(gāi)电流值电调会被损坏。同时,电调具有相应内阻,其发热功(gōng)率需要得到注意。有些电调电(diàn)流可以(yǐ)达到几十安(ān)培,发热功率是电流的平(píng)方的函数,所以电调的散热性(xìng)能(néng)也十分重要(yào),因此大规格电调(diào)内阻一般都(dōu)比较小。
四、电池(chí)作用
电池主要用(yòng)于提供能量。目前航模最(zuì)大的问题在于续航(háng)时间(jiān)不够,其关键就在于电池容量的大小。现在可(kě)用(yòng)来做模型(xíng)动力的电池种类很(hěn)多(duō),常见的有锂电池和镍氢电池,主(zhǔ)要(yào)源于其(qí)优良的性能和便宜的价格优(yōu)势。然而,对于(yú)多(duō)旋翼无人机(jī)而言,电池单位重量的(de)能量载(zǎi)荷很大程度上限制了其飞行(háng)时间和任务拓展。
电池的基(jī)本特征主要有电压、放电容量、内阻大小、放(fàng)电倍率。航模专用锂(lǐ)聚(jù)合(hé)物(wù)电池(chí)单节标(biāo)称(chēng)电压一般为3.7V,充满电可到4.2V,一般为(wéi)保证总够电池容(róng)量及电压(yā),可(kě)将三(sān)节电池(chí)串联使用。在实(shí)际过程中,在电(diàn)池的放电(diàn)过程中,电池容(róng)量逐渐减小,并且研究表明在某些区域(yù),电池剩余容量(liàng)与电(diàn)池电(diàn)流基本呈(chéng)线性下降关系(xì)。而在电池放电(diàn)后期,电池容量随电流的变化可(kě)能是急剧下降,所以一般(bān)会(huì)设置航模电(diàn)池安全电压,3.4V或(huò)者其(qí)他,视(shì)具体情况而(ér)定,确保无人机在电池耗完前有足够的电(diàn)量(liàng)返航。另外(wài),不(bú)仅在放(fàng)电过程中(zhōng)电(diàn)压会下降,而且由于电(diàn)池(chí)本身具(jù)有内阻,其放电(diàn)电流(liú)越大,自身(shēn)由于内阻导致的压降就越大,所(suǒ)以输出的电压就越小。特(tè)别注意,在电池(chí)使用过程中,不能(néng)使(shǐ)电池电量(liàng)完全放(fàng)完,不(bú)然会对电池造成(chéng)电量(liàng)无法恢复的损伤。
锂电(diàn)池(chí)组包含两(liǎng)部(bù)分:电池(chí)和锂电池保护线路(lù)。在电池组中(zhōng)是把多(duō)个电池串联起来,得到所(suǒ)需要的(de)工作电压。如果所需要的是更(gèng)高的容量和更大的(de)电流,那就应(yīng)该(gāi)把(bǎ)电池并(bìng)联起(qǐ)来。
多旋翼的动力系统是(shì)多旋翼(yì)能量的来源,直接关(guān)系到飞行器的悬停时间、最大负载重量和(hé)飞行(háng)距离(lí)等重(chóng)要的指标。本(běn)章(zhāng)从能(néng)量的角度,分析多旋翼的这些性(xìng)能。总体来说,我们希望避免能量的(de)损失,得到最高的系统效率,电调、电机和电池内部电阻越小越好(hǎo)。为了提(tí)高飞行器的悬停时间、最(zuì)大负载重量和飞行(háng)距离,电池容(róng)量越大越好(hǎo)。然而容量越大,重(chóng)量也就越大。重量越大,反过(guò)来也会减少悬停时间、最大(dà)负载重量和飞行(háng)距离。有时候(hòu),设计的多(duō)旋翼根本飞不起来,或者飞起来的时间很短。
图示:昆明劲鹰多旋(xuán)翼(yì)无人机

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