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多旋翼飞行器设计与控制,多旋翼无人机基本组成详解

2024-05-11

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多旋翼无人机是一种特殊的无人驾驶旋翼飞行器,具有三个或以上的旋翼轴。这种无人机通过每个轴上的电动机转动来带动旋翼,从而产生升推力。旋翼的总距固定,不像一般的直升机那样可变。通过改变不同旋翼之间的相对转速,可以改变单轴推进力的大小,从而控制飞行器的运行轨迹。

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多旋翼机架是多旋翼无人机的重要组成部分,它是支撑和固定旋翼、电机、电子设备等部件的主体结构。机架的设计需要考虑到无人机的整体稳定性、机械强度、重量分布、重心位置等因素,以保证无人机在飞行过程中的安全和稳定性。

机架的材质通常采用轻质、高强度的材料,如碳纤维、铝合金等,以减轻整个无人机的重量,提高机动性和续航能力。同时,机架的设计也需要考虑到加工和装配的便利性,以便于生产和维护。

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多旋翼无人机的云台是无人机上用于安装和稳定摄像机或其他传感器的设备。云台的主要作用是隔离无人机机身的振动和晃动,保证摄像机或传感器在拍摄过程中能够获得稳定的图像或数据。

云台通常由云台基座、减震机构、姿态传感器、控制电路等部分组成。云台基座是云台的支撑结构,用于将云台固定在无人机机身上。减震机构则通过机械或电子方式减少无人机机身振动对摄像机或传感器的影响。姿态传感器用于检测云台的姿态角度,控制电路则根据姿态传感器的数据控制云台电机的转动,从而调整摄像机或传感器的姿态,保持其稳定。

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根据不同的应用场景和需求,多旋翼无人机的云台可以分为不同的类型,如两轴云台、三轴云台等。两轴云台可以实现俯仰和横滚两个方向的稳定,适用于一般的航拍和侦察任务;而三轴云台则可以实现俯仰、横滚和偏航三个方向的稳定,适用于更高要求的拍摄任务,如电影拍摄、高精度地图测绘等。

多旋翼无人机的动力系统是其飞行的核心部分,主要由电池、电机、电子调速器(ESC)和螺旋桨组成。

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首先,电池是整个系统的电力储备部分,为电机提供直流电。电机的类型通常为无刷电机,由定子绕组和转子永磁体构成,无刷电机需要在无刷电子调速器(ESC)的控制下工作。ESC的作用是将电池提供的直流电转换为电机所需的三相交流电,并控制电机的转速。

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螺旋桨是直接产生升力的部分,它与电机直接固定,因此螺旋桨的转速等同于电机的转速。当电机转动时,螺旋桨也会旋转,产生向上的拉力,使无人机得以飞行。

遥控器发送飞控手的遥控指令到接收器上,接收机解码后传给飞控制板,进而多旋翼根据指令做出各种飞行动作。遥控器可以进行一些飞行参数的设置,例如:油门的正反,摇杆灵敏度大小,舵机的中立位置调整,通道的功能定义,飞机时间记录与提醒,拨杆功能设定。高级功能有航模回传的电池电压电流数据等等。

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自动驾驶仪

多旋翼自动驾驶仪,分为软件部分和硬件部分。包括:

1)全球定位系统(GPS),得到多旋翼的位置信息;

2)惯性测量单元(IMU),包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、电子罗盘(或磁力计),目的是得到多旋翼的姿态信息;市面上常说的6IMU是包含了三轴加速度计和三轴陀螺仪,9IMU是包含了三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计,而10IMU则是在9IMU基础上多了气压计这一轴;

3)气压计和超声波测量模块,目的是得到多旋翼绝对(气压计)或相对高度信息(超声波测量模块);

4)微型计算机,算法计算平台;

5)接口与各种传感器和电调、通讯设备等的硬件接口。

地面站

地面站软件是多旋翼地面站的重要组成部分,操作员通过地面站系统提供的鼠标、键盘、按钮和操控手柄等外设来与地面站软件进行交互,预先规划好本次任务的航迹,对多旋翼的飞行过程中飞行状况进行实时监控和修改任务设置以干预多旋翼飞行。任务完成后还可以对任务的执行记录进行回放分析。

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数传

数传电台是指借助DSP技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电台。采用数字信号处理、数字调制解调具有前向纠、均衡软判决等功能的无线数据传输电台。数传电台一端接入计算机(地面站软件),一端接入多旋翼自驾仪,通讯采用一定协议进行,从而保持自驾仪与地面站的双向通讯。

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频率可选择:433MHz915MHz美洲地区可用915 MHz,欧洲和中国等一般用433 MHz,对915 MHz频段是禁用的。

多旋翼无人机具有许多优点,如稳定性强、操控简单、勤务性高、价格相对便宜等,因此在市场上的应用非常广泛。此外,多旋翼无人机还可以通过地面供电实现长时间飞行,大大提高了其空中时间。

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无人机系统则包含了无人机飞行平台、相关的遥控站、所需的指令与控制数据链路以及批准的型号设计规定的任何其他部件组成的系统。



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