電動(dòng)無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成

摘 要目前市面上見到的無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)主要是活塞發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及電力動(dòng)力系統(tǒng)兩類，而電力動(dòng)力系統(tǒng)由于其能量密度大、體積小、重量輕、易于維護(hù)等特點(diǎn)，占到了民用無人機(jī)的絕大多數(shù)，本文就對(duì)電動(dòng)無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成方面進(jìn)行了比較詳細(xì)的介紹。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī) 動(dòng)力系統(tǒng) 動(dòng)力電源 調(diào)速

目前大型、小型、輕型無人機(jī)廣泛采用的動(dòng)力裝置為活塞發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。而出于成本和使用方便的考慮，微型無人機(jī)中普遍使用的是電力動(dòng)力系統(tǒng)。電力動(dòng)力系統(tǒng)主要由動(dòng)力電源、動(dòng)力電機(jī)、速調(diào)系統(tǒng)三部分組成。

1 動(dòng)力電源

動(dòng)力電源主要為動(dòng)力電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供電能。通常采用化學(xué)電池來作為電動(dòng)無人機(jī)的動(dòng)力電源，主要包括鎳氫電池、鎳鉻電池、鋰聚合物、鋰離子動(dòng)力電池。其中，前兩種電池因重量重，能量密度低，現(xiàn)已基本上被鋰聚合物動(dòng)力電池取代。動(dòng)力電池不同于普通意義上的電池，具有能量密度大、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。對(duì)于電池來說，有很多標(biāo)稱來標(biāo)識(shí)電池的性能，而最為關(guān)鍵的參數(shù)就是電壓值、儲(chǔ)能容量以及放電能力。

1.1 電池的電壓值

動(dòng)力電源的電壓值是用伏特（V）來進(jìn)行標(biāo)識(shí)的。比如說：高壓版鋰聚合物電池的標(biāo)稱電壓是3.7V，當(dāng)充滿電后，電壓可達(dá)4.35V，最低放電電壓為3.5V。鎳氫電池標(biāo)稱電壓是1.2V，當(dāng)充滿電后，電壓可達(dá)1.5V，最低放電電壓為1.1V。

1.2 儲(chǔ)能容量

動(dòng)力電源的儲(chǔ)能容量是用毫安時(shí)（mAh）來標(biāo)識(shí)的，表示的含義為電池以某恒定電流進(jìn)行放電時(shí)，能放電1小時(shí)，如鋰聚合物電池標(biāo)識(shí)（15C、20000mAh、14.8V）。

1.3 放電能力

動(dòng)力電源的放電能力是以放電倍率（C）來標(biāo)識(shí)的，表示的含義為按照電源的標(biāo)識(shí)的儲(chǔ)能容量，最大能夠達(dá)到的放電電流數(shù)。比如說：動(dòng)力電源標(biāo)識(shí)為2200MA，20C， 則該電源最大的持續(xù)電流計(jì)算如下：容量X放電C數(shù)=2.2X20=44A。如果該電源長(zhǎng)時(shí)間超過44安進(jìn)行工作，會(huì)極大影響電池壽命。對(duì)于我們常用的鋰聚合物動(dòng)力電池，充滿電后，單片電池的電壓以4.15～4.20合適，使用后的單片最低電壓為3.5V以上，如果需要長(zhǎng)期保存，單片電壓最好為3.85V，一定要注意，過放和長(zhǎng)期滿電保存電池對(duì)于電池來說具有很大的傷害。

2 動(dòng)力電機(jī)

微型無人機(jī)使用的動(dòng)力電機(jī)可以分為兩類：有刷電動(dòng)機(jī)和無刷電動(dòng)機(jī)。其中有刷電動(dòng)機(jī)由于效率較低，在無人機(jī)領(lǐng)域已逐漸不再使用。電動(dòng)機(jī)的型號(hào)主要以尺寸為依據(jù)。比如無刷電機(jī)2814，這個(gè)標(biāo)識(shí)指的是，電機(jī)不包括軸電子線圈的長(zhǎng)度是14mm，電機(jī)定子線圈的直徑是28mm。當(dāng)有時(shí)有一些標(biāo)識(shí)并不是指的尺寸，而是說屬于哪個(gè)級(jí)別。動(dòng)力電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)很多，與無人機(jī)動(dòng)力特征最相關(guān)的兩個(gè)是轉(zhuǎn)速和功率。電機(jī)轉(zhuǎn)速常采用kV進(jìn)行標(biāo)識(shí)，kV的含義是每升高1伏特電機(jī)增加的轉(zhuǎn)速。比如說， 電機(jī)標(biāo)識(shí)kV1400，當(dāng)使用12.6V的電池時(shí)，轉(zhuǎn)速可以達(dá)到1400×12=17640.，也就是每分鐘17640轉(zhuǎn)。

3 調(diào)速系統(tǒng)

動(dòng)力電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)成為電調(diào)，全程為電子調(diào)速器，簡(jiǎn)稱ESC。針對(duì)動(dòng)力電機(jī)不同，可分為有刷電調(diào)和無刷電調(diào)。它根據(jù)飛行控制器發(fā)出的PWM信號(hào)控制動(dòng)力電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

動(dòng)力電源、電調(diào)、動(dòng)力電機(jī)的鏈接情況一般如下：

（1）動(dòng)力電源鏈接電調(diào)的電源輸入線；

（2）飛行控制器的控制信號(hào)線與電調(diào)的信號(hào)線連接；

（3）電調(diào)的動(dòng)力輸出線與動(dòng)力電機(jī)進(jìn)行連接。

請(qǐng)注意，電調(diào)一般配有電源輸出線（BWC），一般都會(huì)在信號(hào)線上，電壓大概5V，通常用來給飛行控制器、遙控接收機(jī)或者是舵機(jī)供電。

4 螺旋槳

螺旋槳的工作原理就是槳葉進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，大量的空氣會(huì)不斷的向后推，這樣就會(huì)在槳葉上產(chǎn)生反向作用力，這就是無人機(jī)動(dòng)力來源。如果將槳葉進(jìn)行截?cái)?，我們從剖面看非常像機(jī)翼的截面，旋轉(zhuǎn)后，螺旋槳相對(duì)氣流的速度由兩部分構(gòu)成，前進(jìn)速度+旋轉(zhuǎn)速度。通過旋轉(zhuǎn)會(huì)在槳葉上形成氣動(dòng)力，在前進(jìn)方向上的分力就是我們常說的螺旋槳拉力。另外當(dāng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)形成一個(gè)阻止螺旋槳旋轉(zhuǎn)的力矩，我們常稱為反扭，這個(gè)力矩將由發(fā)動(dòng)機(jī)的力矩進(jìn)行平衡。槳葉剖面弦與旋轉(zhuǎn)平面形成的夾角稱為槳葉安裝角。最后，當(dāng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)一圈，前推進(jìn)的距離我們常稱為槳距。實(shí)際上槳葉上每一剖面的前進(jìn)速度都是相同的，但圓周速度則與該剖面距轉(zhuǎn)軸的距離（半徑）成正比，所以各剖面相對(duì)氣流與旋轉(zhuǎn)平面的夾角隨著離轉(zhuǎn)軸的距離增大而逐步減小，為了使槳葉每個(gè)剖面與相對(duì)氣流都保持在有利的迎角范圍內(nèi)，各剖面的安裝角也隨著與轉(zhuǎn)軸的距離增大而減小。這就是每個(gè)槳葉都有扭轉(zhuǎn)的原因。比如常用的1240兩葉槳，表示螺旋槳的直徑是12寸，螺距為40。

5 機(jī)型與電機(jī)、槳的關(guān)系

無人機(jī)采用的螺旋槳如果越大，那么螺旋槳對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生的反扭就會(huì)越大，所以如何選擇螺旋槳，這個(gè)將和無人機(jī)的翼展長(zhǎng)短有關(guān)，還有螺旋槳的選擇也要注意相應(yīng)電機(jī)的參數(shù)。例如如果采用1240螺旋槳，那么對(duì)于固定翼無人機(jī)的翼展就要在90CM以上合適，不然反扭大，飛行不穩(wěn)定；又如，與6040的螺旋槳合適的翼展就在40CM以上。如果用4530槳用到翼展1米以上無人機(jī)是否可行呢？當(dāng)然可以，但飛機(jī)飛起來會(huì)非常耗電，因?yàn)橐碚勾箫w行的阻力大，而4530螺旋槳產(chǎn)生的推力相對(duì)情況下小，就好比是小馬拉大車。所以在選擇無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)的時(shí)候需要注意這動(dòng)力電源、動(dòng)力電機(jī)、電調(diào)、螺旋槳這4者之間的關(guān)系，一定要首先看無人機(jī)的機(jī)型、翼型及翼展的大小，然后再選擇配動(dòng)力電機(jī)、螺旋槳、動(dòng)力電源，特別要注意的是，絕對(duì)不能大尺寸螺旋槳配高KV電機(jī)，有可能會(huì)燒毀電機(jī)，影響電池壽命，甚至可能將電調(diào)也燒掉。

6 其他裝置

隨著有人渦輪噴氣機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為無人機(jī)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。目前小型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)已在少數(shù)高速無人靶機(jī)及突防無人機(jī)中得到應(yīng)用。小型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)包含四個(gè)部分：壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、噴管。壓氣機(jī)的作用就是將空氣以高速度通過氣道，最終到達(dá)燃燒室。燃燒室主要是將引入的燃油進(jìn)行點(diǎn)火燃燒。膨脹的空氣將會(huì)驅(qū)動(dòng)渦輪，渦輪反饋控制壓氣機(jī)，如此發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)循環(huán)運(yùn)行。從噴管排出的加速高溫燃?xì)庾罱K會(huì)作為整機(jī)的推力使用。除上述動(dòng)力系統(tǒng)外，無人機(jī)中還有少數(shù)渦軸、渦槳、渦扇等動(dòng)力裝置的應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)介

石磊（1981-），男，河南省葉縣人。大學(xué)本科學(xué)歷，軟件工程碩士學(xué)位?，F(xiàn)為內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。主要研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ?、無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

作者單位

內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市 010070