在(zài)多旋翼迅速发展的(de)同(tóng)时,其相应(yīng)的零部件(jiàn)供应日益多样。因为多旋翼(yì)的载重(chóng)根(gēn)据需求各不相同,所以对应的“最优”零部件组合(hé)包括(kuò)多旋翼构型(四旋翼(yì)、六旋翼还是八旋翼)也各不(bú)相(xiàng)同。
多旋翼的动(dòng)力系统由航模电池、电子调(diào)速器、直流(liú)无刷(shuā)电机、螺旋桨四个部分(fèn)组成,各部(bù)分器(qì)件均具有一(yī)定的规(guī)格和相应的(de)性能,所以该四(sì)部分具有相应的最(zuì)佳匹配组合。工程经验上的“高(gāo)KV值电机(jī)配小桨(jiǎng),低KV值配大桨”隐含的就是这个道理。对于螺旋桨,主要考虑其尺(chǐ)寸规格(gé)对其升阻性能的影响。对(duì)于电机,主要考虑其不同型号(hào)KV值的不同对电机转速的影响,同(tóng)时电(diàn)机的(de)性能是否优(yōu)越还(hái)要取决于(yú)其标(biāo)称空载电流和空载电压、以及电(diàn)枢(shū)内(nèi)阻。对于(yú)电调,主要考虑其最大限制电流,其内阻(zǔ)对电池电压将起到一(yī)定(dìng)的降压作用。对于(yú)电池,主要考虑(lǜ)其总容量(liàng)大(dà)小影响多(duō)旋翼的续(xù)航时长及(jí)其(qí)最大放电倍率(lǜ)限制其放电最大电流。
一、螺旋桨作用(yòng)
螺旋桨是直接产生推力的部件(jiàn),同样是以(yǐ)追求效率(lǜ)为第一目的。匹配的电(diàn)机、电(diàn)调和螺旋桨搭配,可(kě)以在相同的推力下耗用更少的电量,这样就(jiù)能延长多旋翼的续航时(shí)间。因(yīn)此(cǐ),选择最优的(de)螺旋(xuán)桨(jiǎng)是提高续(xù)航时间的一条捷径(jìng)。螺旋桨是有(yǒu)正反两种方向(xiàng)的(de),因为电机驱(qū)动螺旋桨转动时,本身会产(chǎn)生一个反扭力,会导致机架反向旋转(zhuǎn)。而通过(guò)一(yī)个(gè)电(diàn)机正向旋转、一个电机反向旋转(zhuǎn),可以互相(xiàng)抵消这(zhè)种反扭(niǔ)力,相对应(yīng)的(de)螺(luó)旋桨(jiǎng)的方向也就相反(fǎn)了。
二、电机作用
多旋翼的电(diàn)机主要以(yǐ)无(wú)刷(shuā)直流电机为主(zhǔ),将电能转(zhuǎn)换成机械能。无刷直流电机运转(zhuǎn)时靠电子(zǐ)电路换向(xiàng),这样就极大减少了电火(huǒ)花对遥控(kòng)无线电设备的干扰,也减小了噪(zào)音。它一头(tóu)固定在机架力(lì)臂的(de)电机座,一头固定螺旋桨,通过旋转产生向下(xià)的推力。不同大小(xiǎo)、负载的机架,需(xū)要(yào)配合不同规格、功(gōng)率的电机。
三、电调作用
电(diàn)调(diào)全称(chēng)电子调速器,英(yīng)文Electronic Speed Control,简称ESC。飞控板提供的电流无(wú)法直接(jiē)驱动无刷电(diàn)机,它需(xū)要通(tōng)过电调(diào)最(zuì)终控制(zhì)电机的转速。电调最(zuì)基本的功能就是电机调速(sù)(通过(guò)飞控板给定电压进行调节),其次,还可以为遥控接收器上其(qí)它(tā)通道的(de)舵机(jī)供电。而无刷电调多了一个重要功能,就是充当换相器的角色,因为无刷电机没有电刷进行换相(直流电源转化为三相电(diàn)源供给无(wú)刷电机,并(bìng)对无刷(shuā)电机起调速作用),所以需要靠(kào)电(diàn)调进行(háng)电子换相。当然,电调还有一些其它辅助功(gōng)能,如电池保护,启(qǐ)动保护(hù)、刹(shā)车等(děng)。电调的作用就(jiù)是将多旋翼飞行控制单元的控制信号(hào)快速转变为电枢电压大小和电流的大小,以控制(zhì)电(diàn)机的(de)转速。因为(wéi)电机的电流是(shì)很大的,如果(guǒ)没有电调的(de)存在,单靠电池供电是无法给无刷直流电机供电的(de),同时飞控板又没有这么大的放(fàng)电功率,所以电调对电机而言是至(zhì)关重(chóng)要的(de)驱动电路。电调的另一个作用(yòng)是(shì)为机载(zǎi)其他电子设备提供稳压电源。
电调都会标(biāo)上多少A,如30A,50A。这是电调最(zuì)大允许(xǔ)通过电流大小,超过该电流值电调(diào)会被损(sǔn)坏(huài)。同时,电调具有相应(yīng)内阻,其发热功率需要(yào)得到注意。有(yǒu)些电调电流可以达到几十安培,发热功率是电流的平方的函数,所以电调的散热性能也十分重要,因此大规格电调内阻(zǔ)一般都比(bǐ)较(jiào)小。
四(sì)、电池作用
电池主(zhǔ)要用于提供能量。目前航模(mó)最大的问题(tí)在(zài)于续航时间不够,其(qí)关键(jiàn)就(jiù)在于电池容量的(de)大小。现在可用来做模(mó)型动力的电池种类很多,常见的有锂电池和(hé)镍氢电池,主(zhǔ)要(yào)源于其优良的性能(néng)和便宜的(de)价(jià)格(gé)优势。然而,对于多旋(xuán)翼无人机而言,电池单位重量的能量载荷(hé)很大程度上限制了其飞行时间和任务拓展。
电池的(de)基本特征主要有电(diàn)压、放电容量、内阻大小、放电倍率。航(háng)模专用锂(lǐ)聚合(hé)物电池单节标称电压(yā)一(yī)般为(wéi)3.7V,充满(mǎn)电(diàn)可(kě)到4.2V,一般为保证总够电(diàn)池容量及(jí)电压,可将三节电池串联使用。在实际过程中,在电池的放电(diàn)过程中,电(diàn)池容量逐渐(jiàn)减小(xiǎo),并(bìng)且研究(jiū)表明在某些区域,电(diàn)池剩余容量与电(diàn)池电(diàn)流基(jī)本呈线性下降关系(xì)。而在电池放电(diàn)后期(qī),电池容量随电(diàn)流的变化可能是急剧下降,所以一般会设置航(háng)模电池安全电(diàn)压,3.4V或者(zhě)其他,视(shì)具(jù)体情况而定,确保无人机在电池(chí)耗完前有足够的电量返航。另外,不仅(jǐn)在(zài)放电过程中电压(yā)会下降,而且由(yóu)于电池(chí)本身具有内阻(zǔ),其放(fàng)电电流越大,自身由于内(nèi)阻导(dǎo)致的压降就越(yuè)大,所以输出的电压(yā)就越小。特别注意(yì),在电池使(shǐ)用过程中,不能使电(diàn)池电量完全(quán)放完,不(bú)然会对电池(chí)造成电量无法恢复的损伤。
锂电(diàn)池组包(bāo)含两部分:电池和(hé)锂电池保(bǎo)护线路。在电池组中是把多个电池串联起来,得到所(suǒ)需要的工作(zuò)电压(yā)。如果所(suǒ)需要的是更高的容量和更大的电流,那(nà)就应该把电池并联(lián)起来。
多旋(xuán)翼的动力系统是(shì)多旋(xuán)翼能量的来源,直接(jiē)关(guān)系到飞行器的悬停(tíng)时间(jiān)、最(zuì)大负载(zǎi)重量(liàng)和飞行距离等重要的(de)指标(biāo)。本章从(cóng)能量的角度,分析多旋翼(yì)的这些性能。总体来(lái)说,我们(men)希望避免(miǎn)能量的损(sǔn)失(shī),得到最高的系统效率,电调、电(diàn)机和电池内部电阻越小越好(hǎo)。为(wéi)了提高飞行器的悬停时间、最大(dà)负载重(chóng)量和飞行距(jù)离,电池容量越大越好。然(rán)而容量越大,重量也就越大。重量越大,反过来也会减少(shǎo)悬停时间、最大负载(zǎi)重量和飞(fēi)行距(jù)离。有时候,设计(jì)的多旋翼根本飞不(bú)起来(lái),或者飞(fēi)起(qǐ)来(lái)的(de)时间很短。
图示:昆明劲鹰多旋翼(yì)无人(rén)机

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