北京小飛手教育科技有限公司/彭濤
復(fù)雜的飛控系統(tǒng)
飛行控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱飛控,可以看作無人機(jī)的大腦,是完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)和返場(chǎng)回收等整個(gè)飛行過程的核心系統(tǒng)。不管是無人機(jī)自動(dòng)保持飛行狀態(tài)(如懸停)還是對(duì)無人機(jī)人為操作,都需要通過飛控系統(tǒng)對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。工作時(shí),飛控可發(fā)送各種指令,并處理各部件傳回的數(shù)據(jù),就像人體的大腦對(duì)身體各個(gè)部位發(fā)送指令那樣。一些高階的飛控系統(tǒng)除了保證無人機(jī)正常飛行導(dǎo)航功能以外,還有安全冗余、飛行數(shù)據(jù)記錄、飛行參數(shù)調(diào)整和自動(dòng)飛行優(yōu)化等功能。
飛控一般包括傳感器、機(jī)載計(jì)算機(jī)和控制舵機(jī)三大部分,以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定和控制、無人機(jī)任務(wù)設(shè)備管理和應(yīng)急控制三大類功能。對(duì)于多旋翼無人機(jī)來說,其主要由檢測(cè)模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊以及供電模塊組成。其中檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行量測(cè);執(zhí)行模塊則對(duì)當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行解算、優(yōu)化控制,并對(duì)執(zhí)行模塊產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的控制量;供電模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。為實(shí)現(xiàn)這些功能,多旋翼無人機(jī)的飛控上一般會(huì)裝有加速度計(jì)、氣壓計(jì)、陀螺儀、地磁儀、定位芯片、主控芯片等多種零部件。
手持式無人機(jī)遙控設(shè)備
無人機(jī)操縱地面站
無人機(jī)遙控系統(tǒng),主要由遙控器、接收器、解碼器、伺服系統(tǒng)組成。遙控器是操作平臺(tái),接收器接到遙控器信號(hào)進(jìn)行解碼,分離出動(dòng)作信號(hào)傳輸給伺服系統(tǒng),伺服系統(tǒng)則根據(jù)信號(hào)做出相應(yīng)的動(dòng)作。常見的遙控設(shè)備有手持遙控器和地面站兩種。此外,消費(fèi)級(jí)無人機(jī)通常還支持手機(jī)APP操縱方式。
無人機(jī)遙控系統(tǒng)一般采用2.4GHz無線電信號(hào)頻率,以保證足夠的傳輸距離。不同無人機(jī)間的通信協(xié)議不同,常見的有PWM、PPM、S-BUS、X-BUS等幾種。
多旋翼無人機(jī)常見的氣動(dòng)布局有“X”型、“十”型和“H”型3種。
“X”型是多旋翼無人機(jī)最基礎(chǔ)、最常見的氣動(dòng)布局。其電機(jī)臂的分布方式為以飛行器前進(jìn)方向?yàn)橹芯€,向左右兩側(cè)等分角度。以四旋翼無人機(jī)為例,左前和右前機(jī)臂距機(jī)頭中線的夾角均為45°,左后和右后機(jī)臂距機(jī)尾方向中線的夾角也均為45°。左右相鄰電機(jī)臂上放置轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的電機(jī)和螺旋槳,以抵消電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反扭矩。若電機(jī)臂數(shù)超過4個(gè),則按照等分原則,以60°為夾角(六旋翼無人機(jī))或45°為夾角(八旋翼無人機(jī)),成對(duì)增加電機(jī)臂數(shù)。
“十”型多旋翼氣動(dòng)結(jié)構(gòu)是最早出現(xiàn)的布局之一。這種布局結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,只需通過改變橫豎軸向上的電機(jī)轉(zhuǎn)速,即可改變飛行器的運(yùn)動(dòng)姿態(tài),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退和左右平移的基礎(chǔ)飛行。不過,隨著無人機(jī)航拍的興起和普及,采用“十”型布局的無人機(jī)在拍攝正面鏡頭時(shí),螺旋槳會(huì)出現(xiàn)在畫面的視界里(俗稱“漏槳”),造成不便。隨著飛控的性能提升,該型布局逐漸被“X”型所替代。
四旋翼的“十”型布局最簡(jiǎn)單,通常為無人機(jī)橫縱軸上各設(shè)一對(duì)電機(jī)臂。若電機(jī)臂數(shù)增加,則保證無人機(jī)縱軸(前進(jìn)后退方向)上的電機(jī)臂不變,其他電機(jī)臂以60°夾角(六旋翼)或45°夾角(八旋翼)平均分布即可。
“H”型布局與“X”型氣動(dòng)布局相似,但出現(xiàn)時(shí)間最晚。其優(yōu)點(diǎn)是可將電機(jī)臂設(shè)計(jì)成折疊結(jié)構(gòu),以進(jìn)一步減小無人機(jī)的體積,便于日常攜帶。但是“H”型布局的缺點(diǎn)也很明顯,即相同級(jí)別下,“H”型布局的無人機(jī)需要更大尺寸的螺旋槳,才能達(dá)到同“X”型布局無人機(jī)一樣的飛行性能,這直接導(dǎo)致了整機(jī)的重量增加。
“X”型旋翼氣動(dòng)布局與電機(jī)轉(zhuǎn)向示意圖
“十”型旋翼氣動(dòng)布局與電機(jī)轉(zhuǎn)向示意圖
采用“H”型布局的無人機(jī)
采用八旋翼結(jié)構(gòu)的大型無人機(jī)
采用四旋翼結(jié)構(gòu)的消費(fèi)級(jí)無人機(jī)
常見的無人機(jī)有四旋翼、六旋翼、八旋翼幾種。其中,四旋翼是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、飛行效率較高的多旋翼結(jié)構(gòu),也是目前市場(chǎng)上保有量最多的多旋翼無人機(jī)類型。但是,四旋翼無人機(jī)沒有動(dòng)力冗余設(shè)計(jì),在飛行中只要有一個(gè)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),無人機(jī)都會(huì)出現(xiàn)失控的情況。六旋翼無人機(jī)相較于四旋翼無人機(jī),增加了動(dòng)力冗余,提高了飛行的安全性,即便出現(xiàn)電機(jī)停轉(zhuǎn)(不超過2個(gè))的情況,仍然可以安全降落。而對(duì)于任務(wù)載荷要求較高的大型多旋翼機(jī)型,在設(shè)計(jì)時(shí)為增加飛行效率,通常會(huì)采用8個(gè)甚至16個(gè)旋翼的設(shè)計(jì)方式。
那么,旋翼的數(shù)量到底多少才是最好的?這個(gè)問題可以從以下幾方面綜合考慮。
對(duì)于多旋翼飛行器來說,飛行時(shí)能夠參與控制的量(電機(jī)數(shù))越多,飛行控制越精細(xì)。此外,旋翼數(shù)越多,對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)故障的容錯(cuò)率就越高,即飛行器擁有更多的動(dòng)力備份,保證其在突發(fā)狀況下仍具有平穩(wěn)降落的能力。從這個(gè)角度看,八旋翼無人機(jī)的穩(wěn)定性無疑是最佳的。
隨著旋翼數(shù)量的增加,每個(gè)旋翼間的距離會(huì)變小,可供設(shè)計(jì)布局的空間會(huì)減小。對(duì)于四旋翼無人機(jī)來說,其機(jī)臂的長(zhǎng)短、選用螺旋槳的尺寸種類繁多,可根據(jù)飛行環(huán)境、任務(wù)需要進(jìn)行不同搭配。而八旋翼無人機(jī)為避免螺旋槳干涉,電機(jī)臂尺寸通常不能過短,但增加電機(jī)臂會(huì)增大整機(jī)重量,螺旋槳尺寸也不能設(shè)計(jì)得過小。另外,旋翼臂增加后,其很難設(shè)計(jì)成折疊的樣式,導(dǎo)致無人機(jī)占用空間更大,運(yùn)輸和存儲(chǔ)不便。這樣看來,四旋翼無人機(jī)的靈活性更高一籌。
綜上,對(duì)于無人機(jī)來說,應(yīng)根據(jù)其實(shí)際用途來選擇旋翼數(shù)。通常消費(fèi)級(jí)無人機(jī)更適合四旋翼結(jié)構(gòu),而對(duì)載荷有一定要求的無人機(jī),如植保無人機(jī)等,則可選擇六旋翼或八旋翼機(jī)構(gòu)。