科普 | 植保無人機(jī)技術(shù)小知識之四旋翼無人機(jī)
四旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)總結(jié)
01無人機(jī)的類型
無人機(jī)分為固定翼和旋翼無人機(jī)。
固定翼無人機(jī)依靠螺旋槳或者渦輪發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的推力作為飛機(jī)向前飛行的動力,主要的升力來自機(jī)翼與空氣的相對運(yùn)動。其優(yōu)點(diǎn)是飛行速度快,比較經(jīng)濟(jì),運(yùn)載能力大。
旋翼無人機(jī)依靠空氣中旋轉(zhuǎn)螺旋槳產(chǎn)生足夠的升力來平衡重力,實(shí)現(xiàn)飛行。其優(yōu)點(diǎn)是可垂直起降、可懸停,靈活易于控制。
02四旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)
1、安裝平臺
機(jī)體。機(jī)體由機(jī)架、外伸臂、分電板、載荷區(qū)、起落架組成。
(1)機(jī)架用于連接外伸臂、裝下飛控板等設(shè)備,經(jīng)常使用玻璃鋼或碳纖維復(fù)合材料制作。
(2)外伸臂用于安裝4個電動機(jī),經(jīng)常使用塑料、玻璃鋼、碳纖維復(fù)合材料制作,選材時應(yīng)同時考慮強(qiáng)度和質(zhì)量。
(3)分電板用于電動機(jī)、電調(diào)、電源之間的焊接連接,有些還帶有電壓調(diào)節(jié)器,以驅(qū)動額外設(shè)備。
(4)載荷區(qū)用于承載相機(jī)、云臺、農(nóng)藥箱等設(shè)備。
(5)起落架用于在著陸時保護(hù)機(jī)身。
2、感知與控制
自動駕駛儀。自動駕駛儀可分為飛行控制器、外部傳感器系統(tǒng)、通信、驅(qū)動。
(1)飛行控制器主要功能有兩點(diǎn)。接收來自遙控器的信號,控制電調(diào)輸出,進(jìn)而調(diào)整螺旋槳的轉(zhuǎn)速完成無人機(jī)的起飛、懸停、俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航、降落等動作;通過傳感器的數(shù)據(jù),在無控情況下,通過電調(diào)輸出,穩(wěn)定飛行器。
(2)加速度計(jì)和陀螺儀是基礎(chǔ)的兩個傳感器,用來保持無人機(jī)的穩(wěn)定。它們測量無人機(jī)的姿態(tài)角度和旋轉(zhuǎn)角速度,多數(shù)都包含3個測量單元,用來測量3個軸向的數(shù)據(jù)。如所有傳感器一樣,使用前需要先校準(zhǔn)。
(3)氣壓計(jì)是用來測高的傳感器,根據(jù)氣壓和高度的變化關(guān)系,可以很好地測出高度的改變,一般內(nèi)置一個溫度傳感器,用來補(bǔ)償溫度變化帶來的影響??梢耘浜螱PS獲得海平面高度值,以修正高度。
(4)磁力計(jì)是用來定向的傳感器,如指南針一樣,利用地磁確定方向,使用時注意盡量避免強(qiáng)磁場的干擾。
(5)GPS衛(wèi)星定位傳感器可以為無人機(jī)提供位置、高度的信息,目前使用差分GPS定位精度可以達(dá)到0.5m甚至0.3m。
(6)電壓與電流傳感器用來測量飛控板塊及驅(qū)動電壓是否符合要求。只有穩(wěn)定的電源電壓才能讓設(shè)備穩(wěn)定地工作。另外,此傳感器也用來測電源剩余電量。
(7)距離傳感器分為超聲和紅外傳感器,在無人機(jī)避障,著陸都有應(yīng)用。
(8)地面站包含所有針對無人機(jī)在地面使用的裝置。地面站的遙測模塊可以與無人機(jī)雙向通信,跟蹤天線模塊可以擴(kuò)大工作范圍,地面站軟件可以把收集的數(shù)據(jù)形象地顯示出來。
3、動力系統(tǒng)
電機(jī)與電調(diào)。
(1)電機(jī)是無人機(jī)的動力來源,目前主要使用無刷電動機(jī),使用半導(dǎo)體開關(guān)實(shí)現(xiàn)電子換向,使用壽命長,動力比較強(qiáng)勁。
(2)電子調(diào)速器是用于控制無刷電動機(jī)的設(shè)備,它將時序的電能傳給電動機(jī),從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。
(3)螺旋槳。螺旋槳直接產(chǎn)生驅(qū)動無人機(jī)的推力,使之運(yùn)動,螺旋槳的選擇取決于電機(jī)和電調(diào),材料主要有塑料、碳纖維、木質(zhì)。螺旋槳的安裝關(guān)系無人機(jī)和人身的安全,可以通過螺旋槳適配器固定它。
(4)電池。為無人機(jī)上的所有設(shè)備提供電能。電池的選擇應(yīng)同時考慮重量和容量,其中鋰聚合物電池的能量密度大。
其中共有8中運(yùn)動狀態(tài):
狀態(tài)
F1電動機(jī)
F2電動機(jī)
F3電動機(jī)
F4電動機(jī)
上升
↑
↑
↑
↑
下降
↓
↓
↓
↓
左旋
↑
↓
↓
↑
右旋
↓
↑
↑
↓
左飛
↓
↑
↓
↑
右飛
↑
↓
↑
↓
前飛
↓
↓
↑
↑
后飛
↑
↑
↓
↓
左旋分析:從極限情況思考,如果2、3旋翼停止旋轉(zhuǎn),只有1、4旋翼旋轉(zhuǎn),1、4產(chǎn)生的扭矩方向相同,都使無人機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn),而兩者產(chǎn)生的離心力又相互抵消,所以無人機(jī)質(zhì)心并不移動。右旋分析類似。
左飛分析:1、3旋翼降低轉(zhuǎn)速,產(chǎn)生的升力減小;2、4旋翼提高轉(zhuǎn)速,產(chǎn)生的升力增加,所以無人機(jī)發(fā)生向左傾斜,F(xiàn)和mg的合力會產(chǎn)生一個向左的力,牽引無人機(jī)左飛。右飛、前飛、后飛分析類似。