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2026年{杜邦注冊}Top10推薦！近年來，多旋翼飛行器發(fā)展迅速。不僅僅在航拍領域，多旋翼還在農業(yè)植保、電力巡線、地質勘探、交通管理、快遞運輸?shù)确矫嫱瑯泳哂蟹浅？捎^的發(fā)展前景。不同的行...
近年來，多旋翼飛行器發(fā)展迅速。不僅僅在航拍領域，多旋翼還在、地質勘探交通管理、快遞運輸?shù)确矫嫱瑯泳哂蟹浅？捎^的發(fā)展前景。不同的行業(yè)應用場景需要采用不同的配置方案，采用不同的電機電池電調螺旋槳的組裝方案，多旋翼無人機的懸停、抗風、載重等性能會有巨大的差別。因此北航可靠飛行控制研究組開發(fā)了一個無人機飛行性能在線評估的網站。您只需要簡單地輸入一些基本的飛行環(huán)境參數(shù)和無人機的動力系統(tǒng)部件選型，點擊計算按鈕，網站將在線計算出一架多旋翼飛行器的懸停時間、最大負載重量和飛行距離等飛行性能。
在多旋翼迅速發(fā)展的同時，其相應的零部件供應日益多樣。因為多旋翼的載重根據(jù)需求各不相同，所以對應的“最優(yōu)”零部件組合包括多旋翼構型(四旋翼、六旋翼還是八旋翼)也各不相同。最優(yōu)的零部件組合和多旋翼構型可以最大程度地提升多旋翼的續(xù)航時間。這也是目前最簡單直接的解決方法。因此，如何合理選擇相應零部件和飛行器構型來制作一架滿足需求的多旋翼逐漸成為大家關注的問題。然而，這對于普通飛行愛好者甚至中小型飛行器公司飛行器設計者來說，零部件種類繁多，會給大家造成選擇性障礙。一般大家采用的方法是依靠已有的機型的經驗或者通過反復實驗的方法。這不僅限制了機型，而且會浪費大量的人力物力，特別是大型或載人的多旋翼。因此，很有必要解決如下兩個問題：
(1) 根據(jù)給定的配置計估算一架多旋翼飛行器的懸停時間、最大負載重量和飛行距離等飛行性能。
(2) 根據(jù)給定一架多旋翼飛行器的懸停時間、最大負載重量和飛行距離等飛行性能給出最佳的配置。
目前，在北航可靠飛行控制研究組的努力下，我們初步解決了第一個問題，建立了上文提到的多旋翼性能評估網站。與此同時，我們也在朝解決第二個問題的方向邁進。下面，我們將簡單分享下根據(jù)給定的配置，如何估算一架多旋翼的懸停時間的，即第一個問題的解決思路。
飛行性能主要由多旋翼的動力系統(tǒng)決定。多旋翼的動力系統(tǒng)由航模電池、電子調速器、直流無刷電機、螺旋槳四個部分組成，各部分器件均具有一定的規(guī)格和相應的性能，所以該四部分具有相應的最佳匹配組合。工程經驗上的“高KV值電機配小槳，低KV值配大槳”隱含的就是這個道理。對于螺旋槳，主要考慮其尺寸規(guī)格對其升阻性能的影響。對于電機，主要考慮其不同型號KV值的不同對電機轉速的影響，同時電機的性能是否優(yōu)越還要取決于其標稱空載電流和空載電壓以及電樞內阻。對于電調，主要考慮其最大限制電流，其內阻對電池電壓將起到一定的降壓作用。對于電池，主要考慮其總容量大小影響多旋翼的續(xù)航時長及其最大放電倍率限制其放電最大電流。這些動力系統(tǒng)部件之間的關系環(huán)環(huán)相扣，對最終性能影響十分重要。結合市面上廠商提供的動力系統(tǒng)各部分器件的性能指標，設定各型號參數(shù)類別，具體參數(shù)見表1。
螺旋槳是直接產生推力的部件，同樣是以追求效率為第一目的。匹配的電機、電調和螺旋槳搭配，可以在相同的推力下耗用更少的電量，這樣就能延長多旋翼的續(xù)航時間。因此，選擇最優(yōu)的螺旋槳是提高續(xù)航時間的一條捷徑。螺旋槳是有正反兩種方向的，因為電機驅動螺旋槳轉動時，本身會產生一個反扭力，會導致機架反向旋轉。而通過一個電機正向旋轉、一個電機反向旋轉，可以互相抵消這種反扭力，相對應的螺旋槳的方向也就相反了。
假設螺旋槳在一種不能流動的介質中旋轉，那么螺旋槳每轉一圈，就會向前進一個距離，就稱為螺距。顯然，槳葉的角度越大，槳距也越大，角度與旋轉平面角度為0，槳距也為0。螺旋槳一般用4個數(shù)字表示，其中前面2位是螺旋槳的直徑，后面2位是螺旋槳的螺距。比如：1045槳的直徑為10英寸，而螺距為4.5英寸。
如圖1所示，圖1(a)是2葉槳，圖1(b)是3葉槳。有實驗表明，對于多旋翼，2葉槳的性能最優(yōu)。
多旋翼的電機主要以無刷直流電機為主，將電能轉換成機械能。無刷直流電機運轉時靠電子電路換向，這樣就極大減少了電火花對遙控無線電設備的干擾，也減小了噪音。它一頭固定在機架力臂的電機座，一頭固定螺旋槳，通過旋轉產生向下的推力。不同大小、負載的機架，需要配合不同規(guī)格、功率的電機。
一般用4個數(shù)字表示，其中前面2位是電機轉子的直徑，后面2位是電機轉子的高度。簡單地說，前面2位越大，電機越肥，后面2位越大，電機越高。又高又大的電機，功率就更大，適合做大四軸。比如： 2212電機表示電機轉子的直徑是22mm, 電機轉子的高度是12mm。
無刷電機KV值定義為“ 轉速/伏特”，意思為輸入電壓增加1伏特，無刷電機空轉轉速增加的轉速值。例如：1000KV電機，外加1V電壓，電機空轉時每分鐘轉1000轉，外加2V電壓，電機空轉就2000轉了。單從KV值，無法評價電機的好壞，因為不同KV值有適用不同尺寸的槳。
在空載試驗時，對電動機施加標稱空載電壓，使其不帶任何負載空轉，定子三相繞組中通過的電流，稱為標稱空載電流。
電機電樞本身存在內阻，雖然該內阻很小，但是由于電機電流很大有時甚至可以達到幾十安培，所以該小內阻不可忽略。
電調全稱電子調速器，英文Electronic Speed Control，簡稱ESC。飛控板提供的電流無法直接驅動無刷電機，它需要通過電調最終控制電機的轉速。電調最基本的功能就是電機調速(通過飛控板給定電壓進行調節(jié))，其次，還可以為遙控接收器上其它通道的舵機供電。而無刷電調多了一個重要功能，就是充當換相器的角色，因為無刷電機沒有電刷進行換相(直流電源轉化為三相電源供給無刷電機，并對無刷電機起調速作用)，所以需要靠電調進行電子換相。當然，電調還有一些其它輔助功能，如電池保護，啟動保護、剎車等。電調的作用就是將多旋翼飛行控制單元的控制信號快速轉變?yōu)殡姌须妷捍笮『碗娏鞯拇笮?，以控制電機的轉速。因為電機的電流是很大的，如果沒有電調的存在，單靠電池供電是無法給無刷直流電機供電的，同時飛控板又沒有這么大的放電功率，所以電調對電機而言是至關重要的驅動電路。電調的另一個作用是為機載其他電子設備提供穩(wěn)壓電源。
電調都會標上多少A，如30A，50A。這是電調最大允許通過電流大小，超過該電流值電調會被損壞。同時，電調具有相應內阻，其發(fā)熱功率需要得到注意。有些電調電流可以達到幾十安培，發(fā)熱功率是電流的平方的函數(shù)，所以電調的散熱性能也十分重要，因此大規(guī)格電調內阻一般都比較小。
無刷電調最主要的參數(shù)是電調的功率，通常以安數(shù)A來表示，如10A、20A、30A。不同電機需要配備不同安數(shù)的電調，安數(shù)不足會導致電調甚至電機燒毀。更具體地，無刷電調有持續(xù)電流和X秒內瞬時電流兩個重要參數(shù)，前者表示正常時的電流，而后者表示X秒內的容忍的最大電流。選擇電調型號的時候一定要注意電調最大電流的大小是否滿足要求，是否留有足夠的安全裕度容量，以避免電調上面的功率管燒壞。市面上的中型電調電流規(guī)格大多以整十安培為型號分類，其中50A電調，其最大電流可能不到50A，只有45A，這個時候如果電流超過45A可能就會損壞電調。所以，一般在選取電調的時候會考慮增加一定的安全裕度。
電調具有相應內阻，其發(fā)熱功率需要得到注意。有些電調電流可以達到幾十安培，發(fā)熱功率是電流的平方的函數(shù)，所以電調的散熱性能也十分重要，因此大規(guī)格電調內阻一般都比較小。
電池主要用于提供能量。目前航模最大的問題在于續(xù)航時間不夠，其關鍵就在于電池容量的大小?，F(xiàn)在可用來做模型動力的電池種類很多，常見的有鋰電池和鎳氫電池，主要源于其優(yōu)良的性能和便宜的價格優(yōu)勢。然而，對于多旋翼無人機而言，電池單位重量的能量載荷很大程度上限制了其飛行時間和任務拓展。
電池的基本特征主要有電壓、放電容量、內阻大小、放電倍率。航模專用鋰聚合物電池單節(jié)標稱電壓一般為3.7V，充滿電可到4.2V，一般為保證總夠電池容量及電壓，可將三節(jié)電池串聯(lián)使用。在實際過程中，在電池的放電過程中，電池容量逐漸減小，并且研究表明在某些區(qū)域，電池剩余容量與電池電流基本呈線性下降關系。而在電池放電后期，電池容量隨電流的變化可能是急劇下降，所以一般會設置航模電池安全電壓，3.4V或者其他，視具體情況而定，確保無人機在電池耗完前有足夠的電量返航。另外，不僅在放電過程中電壓會下降，而且由于電池本身具有內阻，其放電電流越大，自身由于內阻導致的壓降就越大，所以輸出的電壓就越小。特別注意，在電池使用過程中，不能使電池電量完全放完，不然會對電池造成電量無法恢復的損傷。
鋰電池組包含兩部分：電池和鋰電池保護線路。在電池組中是把多個電池串聯(lián)起來，得到所需要的工作電壓。如果所需要的是更高的容量和更大的電流，那就應該把電池并聯(lián)起來。另外還有一些電池組，把串聯(lián)和并聯(lián)這兩種方法結合起來。多旋翼飛機通常用的是鋰聚合物電池，單節(jié)電壓3.7V，3S1P表示3片鋰聚合物電池的串聯(lián)，電壓是11.1V，其中：S是串聯(lián)，P表示并聯(lián)。又如2S2P電池表示2片鋰聚合物電池的串聯(lián)，然后兩個這樣的串聯(lián)結構并聯(lián)，總電壓是7.4V，電流是單個電池的兩倍。它們連接原理圖見圖5。
電池的容量是用毫安時來表示的。5000毫安時的電池表示該電池以5000毫安的電流放電可以持續(xù)一小時。但是，隨著放電過程的進行，電池的放電能力在下降，其輸出電壓會緩慢下降，所以導致其剩余容量與放電時間并非是線性關系。而在第四章建模時，我們簡化模型研究方法，假定電池的剩余容量與放電電流基本呈比例關系，設定相關系數(shù)作修正補償，對電池容量的建模不考慮其降壓效應，將其等效為一個恒壓源和一個電阻的串聯(lián)。另外，在實際多旋翼飛行過程中，有兩種方式檢測電池的剩余容量是否滿足飛行安全的要求。一種方式是檢測電池單節(jié)電壓，這種方式應用比較廣泛，可通過傳感器實時檢測電池電壓，衡量電池剩余電量大小;另一種方式是實時檢測電池輸出電流做積分計算，這種方法的可實現(xiàn)性較弱，相應傳感器的使用尚未普及。
一般充放電電流的大小常用充放電倍率來表示，即充放電倍率(C)=充放電電流(A)/額定容量(mAh)
例如：額定容量為100Ah的電池用20A放電時，其放電倍率為0.2C。電池放電倍率是表示放電快慢的一種量度。所用的容量1小時放電完畢，稱為1C放電;5小時放電完畢，則稱為1/5=0.2C放電。容量5000毫安時的電池最大放電倍率為20C，其最大放電電流為5000mA×20C=100A。電池放電電流不能超過其最大電流限制，否則可能燒壞電池。電池持續(xù)倍率一般都小于最大倍率，持續(xù)倍率衡量電池持續(xù)長時間放電建議電流大小，防止其長時間發(fā)熱損壞電池。因此，在相同容量下，高倍率電池可以輸出更大的電流。鋰聚合物電池一般屬于高倍率電池，可以給多旋翼提供動力。
歐姆內阻主要是指由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成，與電池的尺寸、結構、裝配等有關。
電流通過電極時，電極電勢偏離平衡電極電勢的現(xiàn)象稱為電極的極化。極化電阻是指電池的正極與負極在進行電化學反應時極化所引起的內阻。
電池的內阻不是常數(shù)，在充放電過程中隨時間不斷變化，這是因為活性物質的組成，電解液的濃度和溫度都在不斷的改變。歐姆內阻遵守歐姆定律，極化內阻隨電流密度增加而增大，但不是線性關系。常隨電流密度的對數(shù)增大而線性增加。
不同類型的電池內阻不同。相同類型的電池，由于內部化學特性的不一致，內阻也不一樣。電池的內阻很小，我們一般用毫歐的單位來定義它。內阻是衡量電池性能的一個重要技術指標。正常情況下，內阻小的電池的大電流放電能力強，內阻大的電池放電能力弱。
電池的內阻很小，我們一般用微歐或者毫歐的單位來定義它。在一般的測量場合，我們要求電池的內阻測量精度誤差必須控制在正負5%以內。這么小的阻值和這么精確的要求必須用專用儀器來進行測量。
螺旋槳建模的主要任務為：建立不同型號的螺旋槳拉力和轉矩與轉速的關系，可以表示如下框圖，其中：環(huán)境參數(shù)相關(海拔、溫度)將影響空氣密度;螺旋槳的參數(shù)見表1。
螺旋槳轉速和螺旋槳轉矩作為電機模型的輸入來求解電機等效電壓和等效電流，可以表示如下框圖，其中電機參數(shù)定義參考表1。
對于航模電機，實際過程中電池經過電子調速器(簡稱電調)進行占空比(0~1)調制后，分三相輸入無刷電機三相驅動電路，從而使電樞產生交變磁場。現(xiàn)在市面上的電子調速器一般都是無刷電調居多，其輸入端是直流電池的正負極，控制信號端是一根PWM波信號線，可輸出占空比可變的三相直流電作為電機三相電樞的輸入，并且與信號線并排在一起的紅黑兩條線V小功率穩(wěn)壓直流電的功能，可以為飛控板等其他機載設備供電。不同型號的電調具備不同的使用規(guī)格，選擇合適功率的電調至關重要。既要保證電調與電機的匹配性，也要考慮電調功率是否滿足飛行器最大功率狀態(tài)的要求，同時也要考慮電調電流大小、重量和價格等因素。選擇電調型號的時候一定要注意電調最大電流的大小是否滿足要求，是否留有足夠的安全裕度容量，以避免電調上面的功率管燒壞。電調建模主要利用電機模型已經求得的等效電壓和等效電流，求出電調占空比、電調輸入電流、電調輸入電壓求出。我們可以最終建立以下模型，可以表示如下框圖，其中電機參數(shù)、電池參數(shù)定義參考表1。
在選配電池方面，肯定是電池容量越大重量越輕越好。區(qū)分不同型號電池的指標主要為重量、容量、放電能力和電壓。電池內阻基本均為小量，不足以體現(xiàn)型號區(qū)分度。電池模型主要建立電池容量與續(xù)航時間的關系，并求解電調輸入電壓。電池建模中，假設放電過程中電壓保持不變，根據(jù)電池容量消耗定義，對電池電流積分獲得消耗容量，電池剩余容量大于最小放電容量，該最小放電容量占總容量百分比可自行根據(jù)安全裕度設定，一般可設為。電池放電電流可以表示如下：
其中一般對于四旋翼多旋翼電調的個數(shù)為四，而對于六旋翼，電調的個數(shù)為六。我們可以求得放電時間，模型可以表示如下框圖，其中電池參數(shù)定義參考表1。
問題：已知動力系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，海拔和當?shù)販囟龋徒o定總重量，求解懸停時間，油門線性(占空比)，電調輸入電流，電調輸入電壓，電池電流，轉速，螺旋槳轉矩。
求解：以下計算是基于第三節(jié)的建模。這里假設旋翼個數(shù)等于電調個數(shù)，也就是一個電調控制一個電機+螺旋槳。
3)進一步根據(jù)已知的電池電壓和求解電機等效電壓和等效電流，得到電調的占空比、輸入電流和輸入電壓。
約束1：油門線]之間;一般我們希望，合理的占空比在50%左右，也就是說油門在中間的時候，恰好多旋翼能夠懸停。
這就是初略的懸停時間的估算流程，具體公式可以關注北航可靠飛行控制研究組未來相關技術文章。
從以上計算可以看出，對于一般的設計者，估算還是比較困難。需要找很多相關數(shù)據(jù)和掌握空氣動力和電學知識。因此，為了幫助更多的人能夠在設計初期對未來的多旋翼性能有一定掌握。我們建立了多旋翼性能評估網站
1)自帶非常全面的數(shù)據(jù)庫，免去了用戶自己去搜集查找電機電調等配件的關鍵參數(shù)的煩惱。同時也保留了自定義輸入功能，適合高端用戶精確地輸入配件參數(shù)，得到更貼近實際飛行的評估結果。
2)能同時輸出多旋翼的懸停狀態(tài)和極限狀態(tài)(滿油門飛行)下的詳細信息，其中包括懸停時間、各個通路的電流大小、電機轉速以及功率和效率等關鍵數(shù)據(jù)。利用上述數(shù)據(jù)，用戶可以比較清楚地評估多旋翼正常懸停和極限飛行時內部電路的電流與能量消耗情況，用于指導多旋翼的設計改進或者任務規(guī)劃。
3)輸出多旋翼的整體性能，包括剩余載重量、最大起飛的海拔、平飛速度以及抗風等級等，這些關鍵指標可以方便用戶評估多旋翼適合使用的場景。
(1) 尋求最佳的配置，即根據(jù)給定一架多旋翼飛行器的懸停時間、最大負載重量和飛行距離等飛行性能給出最佳的配置。
(2) 增加動態(tài)的飛行指標。目前的評估是圍繞能量轉化過程，并沒有從控制角度來評估。比如：螺旋槳的慣性太大會影響控制效果，甚至導致很難設計控制器。因此，評估不僅僅要看靜態(tài)的飛行性能要求，還要看動態(tài)的飛行指標。我們將用可控度去評價一架多旋翼。
多旋翼的動力系統(tǒng)是多旋翼能量的來源，直接關系到飛行器的懸停時間、最大負載重量和飛行距離等重要的指標。本章從能量的角度，分析多旋翼的這些性能?？傮w來說，我們希望避免能量的損失，得到最高的系統(tǒng)效率，電調、電機和電池內部電阻越小越好。為了提高飛行器的懸停時間、最大負載重量和飛行距離，我們希望電池容量越大越好。然而容量越大，重量也就越大。重量越大，反過來也會減少懸停時間、最大負載重量和飛行距離。有時候，設計的多旋翼根本飛不起來，或者飛起來的時間很短。本文介紹了動力系統(tǒng)、梳理了評估的大概流程，最后介紹了我們的多旋翼性能評估網站。通過該網站，我們可以提前了解設計是否滿足要求，節(jié)省人力物力。希望大家在使用過程中能給我們反饋，希望相關廠商能夠與我們合作。有了用戶的反饋和精確的數(shù)據(jù)和模型，多旋翼評估會越來越準確，這將會節(jié)省大家大量的前期試錯成本。
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