第二章　多旋翼无人机的主要部件

第一节　多旋翼无人机的组成

随着无人机技术的发展，多旋翼无人机的结构形式呈现多样化，其用途也不断扩大。无人机的结构与其用途、功能密切相关。如航拍无人机和植保无人机，其机载设备完全不同，结构形式也有差别。即使是航拍无人机，配置也不相同，有的配图传设备，有的不配图传设备；有的有自动导航功能，有的没有自动导航功能。

用于航拍的多旋翼无人机一般由动力系统、飞控系统、机身系统、机载设备、图传设备和遥控器等组成，如图2-1所示。

一、动力系统

动力系统的主要作用是为无人机的飞行提供动力，由电动机、电子调速器、螺旋桨和电池等组成。

（1）电动机　多旋翼无人机用的电动机主要以无刷直流电动机为主，将电能转换成机械能。无刷直流电动机运转时靠电子电路换相，这样就极大减少了电火花对遥控无线设备的干扰，也减小了噪声。它一头固定在机架力臂的电动机座上，一头固定螺旋桨，通过旋转产生推力。不同大小、负载的机架需要配合不同规格、功率的电动机。

（2）电子调速器　电子调速器简称电调，其作用就是将多旋翼无人机飞控系统的控制信号快速转变为电枢电压和电流，以控制电动机的转速。因为电动机的电流是很大的，如果没有电调的存在，单靠电池供电是无法给无刷直流电动机供电的，同时飞控板又没有这么大的放电功率，所以电调对电动机而言是至关重要的驱动电路。电调的另一个作用是为机载其他电子设备提供稳压电源，还有一些其他辅助功能，如电池保护、启动保护、刹车等。电调都会标上多少安培（A），如30A、50A。这是电调最大允许通过的电流大小，超过该电流值，电调会被损坏。同时，电调具有相应内阻，其发热功率需要注意。有些电调电流可以达到几十安培，发热功率是电流平方的函数，所以电调的散热性能也十分重要，因此大规格电调的内阻一般都比较小。

（3）螺旋桨　螺旋桨是直接产生推力的部件，同样是以追求效率为第一目的。匹配的电动机、电调和螺旋桨搭配，可以在相同的推力下耗用更少的电量，这样就能延长多旋翼无人机的续航时间。因此，选择最优的螺旋桨是提高续航时间的一条捷径。螺旋桨是有正反两种方向的，因为电动机驱动螺旋桨转动时，本身会产生一个反扭力，会导致机架反向旋转。而通过一个电动机正向旋转，一个电动机反向旋转，可以互相抵消这种反扭力，相对应的螺旋桨的方向也就相反了。

（4）电池　电池是多旋翼无人机能量的来源，直接关系到无人机的悬停时间、最大负载重量和飞行距离等重要的指标。目前多旋翼无人机用的电池主要是锂聚合物电池，未来燃料电池等新型电池将应用在无人机上。

二、飞控系统

飞控系统是指能够稳定无人机的飞行姿态，并能控制无人机自主或半自主飞行的系统，是无人机的“大脑”。它包括硬件部分和软件部分，硬件部分包括陀螺仪、加速度传感器、GPS模块、电路控制板等；软件部分包括控制算法、程序等。无人机性能的优劣主要取决于飞控系统，也是无人机的核心技术。市场上有多种飞控系统供选择，多数飞控系统属于开源系统，可以进行二次开发。

（1）陀螺仪　理论上陀螺仪只测试旋转角速度，但实际上所有的陀螺仪都对加速度敏感，而重力加速度在地球上又是无处不在的，并且实际应用中，很难保证陀螺仪不受冲击和振动产生的加速度的影响，所以在实际应用中陀螺仪对加速度的敏感程度就显得非常重要，因为振动敏感度是最大的误差源。两轴陀螺仪能起到增稳作用，三轴陀螺仪能够自稳。

（2）加速度传感器　一般为三轴加速度传感器，测量三轴加速度和重力。

（3）GPS模块　测量无人机当前的经纬度、高度、航迹方向等信息。一般在GPS模块中还会包含磁罗盘，用于测量无人机当前的航向。

三、机身系统

机身系统包括机架和起落架等。

（1）机架　机架是多旋翼无人机的主体，很多设备安装在机架上。根据机臂个数不同分为三旋翼、四旋翼、六旋翼、八旋翼、十六旋翼、十八旋翼，也有四轴八旋翼等，其结构不同，叫法也不同。机架有多种材料可以选择，如工程塑料、碳纤维等。

（2）起落架　起落架是无人机唯一和地面接触的部位，作为整个机身在起飞和降落时的缓冲。为了保护机载设备，要求起落架强度高，结构牢固，和机身保持相当可靠的连接，能够承受一定的冲力。一般在起落架前后涂上不同的颜色，用来在远距离操控无人机飞行时区分其前后。

四、机载设备

多旋翼无人机根据任务不同，可以搭载不同设备进行工作，如航拍相机、测绘激光雷达、农药喷洒设备、激光测距仪器、红外相机、救生设备等。对于航拍无人机，其机载设备主要有云台和成像系统。

（1）云台　常用的有二轴云台和三轴云台。云台作为相机或摄像机的增稳设备，提供两个方向或三个方向的稳定控制。云台可以和控制电动机集成在一个遥控器中，也可以用单独的遥控器控制。

（2）成像系统　成像系统有各种相机或摄像机等。

五、图传设备

图传设备指的是视频传输装置，作用是将无人机在空中拍摄的画面实时稳定地发射给地面图传遥控接收显示端上，供操控者观看。无人机图像传输距离的远近、图像传输质量的好坏、图像传输的稳定性等是衡量图传设备性能的关键因素。同时图像传输系统的性能是区分无人机档次的一个关键因素。

六、遥控器

遥控器用于对无人机的实时操控，可以实时监控无人机的各项状态指标，一般按照通道数将遥控器分成6通道、7通道、8通道、9通道和12通道等。