無人機（Unmanned Aerial Vehicle），指的是一種由動力驅動的、無線遙控或自主飛行、機上無人駕駛并可重復使用的飛行器，飛機通過機載的計算機系統(tǒng)自動對飛行的平衡進行有效的控制，并通過預先設定或飛機自動生成的復雜航線進行飛行，并在飛行過程中自動執(zhí)行相關任務和異常處理。

本篇博客主要介紹多旋翼無人機系統(tǒng)基本組成

多旋翼無人機基本組成

機械系統(tǒng)

多旋翼無人機的機械系統(tǒng)主要包括

• 機身
• 機臂
• 起落架

多軸飛行器的機身結構多種多樣，根據(jù)可連接機臂數(shù)量區(qū)分可分為四軸、六軸、八軸。不同機臂數(shù)量各有各的優(yōu)勢，根據(jù)應用場合不同可靈活選擇，四軸飛行器的優(yōu)勢是航時長，結構簡單；六軸和八軸飛行器要比四軸飛行器航時低，但其飛行穩(wěn)定性相對四軸飛行器有所提高，六軸和八軸飛行器另外一個優(yōu)點是在飛行過程中其中一個機臂出現(xiàn)問題造成電機停轉后另外機臂依然可以控制飛行器保持平穩(wěn)，這項冗余功能是四軸飛行器所不具備的。在行業(yè)應用要求高航時例如植保、電力巡線可采用四軸飛行器，在航拍、攝影等要求飛行器穩(wěn)定、安全可采用六軸飛行器。

四軸飛行器依據(jù)其機身布局結構可分為“十”型和“X”型。
 
四軸飛行器，也可以同軸共槳，就是一個電機，有上下兩個槳，這樣可以使得飛行器的負載能力提高，但是弊端就是會降低飛行時間。
 

多旋翼飛行器機臂用于連接機身與電機，其連接件結構硬度要強，否則會造成機身振動增大飛控姿態(tài)解算誤差。起落架的作用是在無人機起飛和降落時起到緩沖的作用。

動力系統(tǒng)

旋翼無人機動力系統(tǒng)包括無刷電機、電子調(diào)速器、Li-Po電池、螺旋槳。

以四旋翼為例，動力系統(tǒng)的框圖如下圖所示，電池連接分電板，分電板連接電調(diào)，電調(diào)連接電機，電機連接螺旋槳，構成一路的動力系統(tǒng)，四旋翼則有四路。
 

直流無刷電機

 
無刷電機是指無電刷和換向器（或集電環(huán)）的電機，又稱無換向器電機，由主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品無刷電機具有工作效率高、調(diào)速范圍廣、可靠性高、穩(wěn)定性好及過載能力強等特點。

無刷電機有多種型號，基本參數(shù)有

• 直徑
• 高度
• KV值

根據(jù)應用飛機情況不同需選用相應參數(shù)的電機。
電機的直徑與高度與機臂上的電機托相關，KV值與無人機的軸距相關，電機的KV值與電機扭矩成反比，一般大軸距的飛機要配低KV值大尺寸的螺旋槳，來產(chǎn)生較高的拉力，小軸距的飛機要配高KV值小尺寸的螺旋槳，來調(diào)節(jié)更加精細。

例如：颶風牌U2810 KV750直流無刷電機
其中U2810代表電機直徑28mm，高度10mm，KV750表示電機在空載情況下，電機的輸入信號每增加1V，電機的轉速增加750rmp

電子調(diào)速器

 
直流無刷電子調(diào)速器（Electronic Speed Control，ESC），通常簡稱為電調(diào)，功能為接收飛控端發(fā)出的PWM信號，驅動和調(diào)節(jié)直流無刷電機。

電調(diào)有四種保護功能：

• 啟動保護：如果當推油門動作執(zhí)行后，兩秒內(nèi)，馬達未能正常啟動，此時電調(diào)將會自動關閉馬達，油門需再次拉到最低后，才可以重新啟動。
• 溫度保護：當電調(diào)工作溫度過高，超過110℃時，電調(diào)會自動降低輸出功率，但不會將輸出功率全部關閉，最多只降到全功率的40%，避免摔機。
• 假如發(fā)生遙控器油門信號持續(xù)丟失1秒，電調(diào)會自動檢測到該情況，并開始逐漸降低輸出功率，在降低期間信號依然未恢復，則會一直降低到零輸出。若在降低期間信號恢復，則立即恢復油門控制。
• 過負荷保護：當負載突然變很大時，電調(diào)會切斷動力，或自動重啟。

在首次使用無刷電子調(diào)速器時為了讓電調(diào)適應遙控器油門行程，需要進行油門行程校準。校準的流程如下：

Li-Po電池

 
Li-Po電池為整個無人機系統(tǒng)提供能量來源，鋰聚合物電池相比傳統(tǒng)的鎳鎘電池具有性能高、體積小、質量輕、容量大、散熱快等特點在無人機領域得到了廣泛的使用。Li-Po電池單節(jié)電壓為3.7v，滿電電壓為4.2v。

螺旋槳

 
多旋翼無人機系統(tǒng)通過電機帶動螺旋槳旋轉，向下吹風產(chǎn)生向上推力，是無人機動力系統(tǒng)中不可或缺的一部分。

按材料分螺旋槳可分為：

• 碳纖維
• 木槳
• 注塑槳

木槳的材料多為櫸木，硬度高，重量輕，經(jīng)過風干打蠟上漆以后不怕受潮，在航空史上，木槳在早期扮演了非常重要的角色。碳纖維是一種與人造絲，合成纖維一樣的纖維狀碳材料。由于碳纖維的材料原因，它有優(yōu)異的硬度和合適的漿型，效率優(yōu)于木槳。以上兩種槳的價格都過高，對于一般使用者都選擇注塑槳。

螺旋槳的型號由如8045，1038等4位數(shù)字表示，分別代表槳葉兩個重要的參數(shù)，槳直徑和槳螺距。槳直徑是指槳轉動所形成的圓的直徑，對于雙葉槳（兩片槳葉，這是最常用的槳）恰好是兩片槳葉長度之和，由前兩位數(shù)字表示，如上面的80和10，單位為英寸。槳螺距則代表槳旋轉一周前進的距離，由后兩位數(shù)字表示，如上面的45和38。槳直徑和螺距越大，槳能提供的拉（推）力越大

槳葉會隨著電機高速旋轉，所以其旋轉平衡是一個很重要的指標。如果槳葉有一頭重一頭輕，或者一側輕一側重等不平衡問題，那么在旋轉時就會產(chǎn)生左右/前后晃動等問題。這樣不僅僅動力效率低，而且還可能會損壞電機造成飛機炸機。一般的槳葉都已經(jīng)進行過自平衡測試，對于要求高的場合也可以自己調(diào)節(jié)槳葉的自平衡。下面是一種常見的測試自平衡的工具。

飛行控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)(Flight control system)，簡稱飛控，是無人機最重要的部分，相當于無人機的大腦。飛控一般由一塊或多塊MCU及各種傳感器組成。MCU處理相關傳感器的信息，經(jīng)過計算解算出飛機的當前姿態(tài)，位置，狀態(tài)等信息，并根據(jù)接收到的來自遙控器或地面站的指令，輸出電機的控制信號，使電機轉速產(chǎn)生相應變化，改變飛機姿態(tài)，達到期望任務。

現(xiàn)在市面上的飛行控制器分為兩種。一種是由商業(yè)公司設計生產(chǎn)的，例如DJI的Naze系列飛控，一般都是閉源的，并且經(jīng)過正規(guī)系統(tǒng)的測試，穩(wěn)定性方面有保障。另外一種就是由愛好者或者公司發(fā)起的開源飛控，這類飛控的硬件設計和軟件代碼一般都是開放的，如果有更多的人參與，能夠快速迭代改進。

 
最后上一個完整的無人機系統(tǒng)圖如下：