第2章-無人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)組成

無人機(jī)組裝與調(diào)試第2章無人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)組成2.1無人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

典型的無人機(jī)是由飛行器平臺(tái)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制站與飛行控制系統(tǒng)、通信導(dǎo)航系統(tǒng)、任務(wù)載荷系統(tǒng)以及發(fā)射/回收系統(tǒng)等組成。2.1無人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2.1.1固定翼無人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)機(jī)翼機(jī)身尾翼起落裝置動(dòng)力裝置2.1無人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2.1.2多旋翼無人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2.1無人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2.1.3無人直升機(jī)的基本結(jié)構(gòu)機(jī)身主旋翼尾槳操縱系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)起落架2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)油動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)油電混動(dòng)系統(tǒng)大型、中型無人機(jī)小型、微型無人機(jī)新興、試驗(yàn)階段2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)電調(diào)遙控器電源電機(jī)飛控螺旋槳接收機(jī)化學(xué)能電能機(jī)械能電源拉力/升力電機(jī)螺旋槳電調(diào)2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)螺旋槳螺旋槳安裝在無刷電動(dòng)機(jī)上，通過電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)。多旋翼無人機(jī)多采用定距螺旋槳，即槳距固定。定距螺旋槳從槳轂到槳尖安裝角逐漸減小，這是因?yàn)榘霃皆酱蟮牡胤骄€速度越大，受到的空氣反作用就越大，容易造成螺旋槳因各處受力不均勻而折斷。同時(shí)螺旋槳安裝角隨著半徑增加而逐漸減小，能夠使螺旋槳從槳轂到葉尖產(chǎn)生一致升力。2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)螺旋槳螺旋槳尺寸通常用“XXXX”型數(shù)字來表示，前兩位數(shù)字表示螺旋槳直徑，后兩位數(shù)字表示螺旋槳螺距，單位均為英寸，1英寸約等于2.54厘米，螺距即槳葉旋轉(zhuǎn)一周旋轉(zhuǎn)平面移動(dòng)的距離。（槳葉旋轉(zhuǎn)一周飛機(jī)所前進(jìn)的距離）螺旋槳有正反槳之分，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的是正槳，逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的是反槳。電動(dòng)機(jī)與螺旋槳的配型原則：高KV電動(dòng)機(jī)配小槳，低KV電動(dòng)機(jī)配大槳。2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)電子調(diào)速器動(dòng)力電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)稱為電調(diào)，全稱為電子調(diào)速器，英文ElectronicSpeedController,簡稱ESC。針對(duì)動(dòng)力電機(jī)不同，分為有刷電調(diào)和無刷電調(diào)。功能:根據(jù)控制信號(hào)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)電子調(diào)速器電調(diào)的連接：電調(diào)的輸入線與電池連接；電調(diào)的輸出線（無刷三根）與電機(jī)連接；電調(diào)的信號(hào)線與接收機(jī)連接。電調(diào)一般有輸出功能（BEC），即在信號(hào)線的正負(fù)極之間有5V左右的電壓輸出，通過信號(hào)線為接收機(jī)和舵機(jī)供電。2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)電子調(diào)速器電調(diào)遙控器電源電機(jī)飛控螺旋槳接收機(jī)電調(diào)輸入端的紅線、黑線需并聯(lián)接到電池的正負(fù)極上，其輸出端的3根黑線連接到電動(dòng)機(jī)；其BEC信號(hào)輸出線，用于輸出5V電壓給飛控供電和接收飛控的控制信號(hào)；遙控接收機(jī)連接在飛控上，輸出遙控信號(hào)，并同時(shí)從飛控上得到5V供電。2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)是目前無人機(jī)使用最多、應(yīng)用最廣的動(dòng)力裝置。直流電動(dòng)機(jī)有刷直流電機(jī)無刷直流電機(jī)外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)（效率低、無人機(jī)領(lǐng)域淘汰）有刷直流電動(dòng)機(jī)無刷直流電動(dòng)機(jī)2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)觀察幾個(gè)外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)的特點(diǎn)？不同點(diǎn)：直徑、高矮，體積大小不同相同點(diǎn)：2212、2205、22131000KV、2300KV、920KV2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)1、型號(hào)：以尺寸為依據(jù)2212、2205、2213

前兩位是定子外徑（mm）、后兩位的是定子高度（mm）。定子的外徑和高度越多，定子的鐵芯越大，線圈繞的匝數(shù)也越多，表現(xiàn)出來就是電機(jī)的功率越大。當(dāng)然，尺寸越大功率越大，但重量也越大。需要注意的，此尺寸是指定子的，不是指電機(jī)外型尺寸，電機(jī)殼的厚度、散熱糟形、底座高度等都影響電機(jī)外型尺寸，所以用定子尺寸做功率的判斷比用外型尺寸要標(biāo)準(zhǔn)和靠譜。無刷電機(jī)的性能指標(biāo)之一：2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)無刷電機(jī)的性能指標(biāo)之二：2、KV：每伏特（V）能達(dá)到的每分鐘轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速/V。輸入電壓增加1伏特(V)，無刷電機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分鐘）增加的轉(zhuǎn)速值?？辙D(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的計(jì)算：KV值是指電機(jī)空轉(zhuǎn)沒有帶螺旋槳等負(fù)荷下的轉(zhuǎn)速與電壓的關(guān)系，如KV是650，在11.1V電壓下空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速是11.1×650=7215轉(zhuǎn)/分鐘，KV值是900，同樣電壓下的空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速是9990轉(zhuǎn)/分鐘。不能通過KV比較電機(jī)的好壞，不能說KV380的比KV600的好。2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)電池作用：為電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供電能。重量重、能量密度低，漸被淘汰鎳氫電池鎳鉻電池鋰聚合物電池能量高、小型化、輕量化，主流2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)電池正極（+）：導(dǎo)電高分子聚合物鋰聚合物電池

負(fù)極（-）：鋰金屬或鋰碳層間化合物

電解質(zhì)：固態(tài)或膠態(tài)高分子電解質(zhì)電池三要素：正極、負(fù)極、電解質(zhì)2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)電池優(yōu)點(diǎn)：1.沒有多余的電解液，因此它更可靠更穩(wěn)定。2.采用鋁塑包裝，內(nèi)部出現(xiàn)問題可立即通過外包裝表現(xiàn)出來，即鼓脹。3.具備高分子材料所特有的質(zhì)量輕、彈性好、易成膜等特性，也順應(yīng)了化學(xué)電源質(zhì)量輕、安全、高效、環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)。2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)電池觀察幾個(gè)鋰聚合物電池的特點(diǎn)？不同點(diǎn)：片數(shù)不同、體積大小不同、數(shù)據(jù)不同相同點(diǎn)：S1P、V、mAh、C、Wh電池性能指標(biāo)電池級(jí)數(shù)電池電壓電池容量放電能力2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)電池S:電池的串聯(lián)級(jí)數(shù)S1P:幾塊電池串聯(lián)在一起組成電池組2S1P、3S1P、4S1P12S1P……電池的性能指標(biāo)之一:串聯(lián)級(jí)數(shù)2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)電池電壓：用伏特（V）來表示標(biāo)稱電壓：廠家按照國家標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)示的電壓，額定電壓，可用來鑒別電池類型。使用時(shí)電池的電壓是不斷變化的。電池的性能指標(biāo)之二:電池電壓電池類型標(biāo)稱電壓充電后電壓放電后保護(hù)電壓保存電壓鋰聚合物電池3.7V4.2V3.6V3.8V鎳氫電池1.2V1.5V1.1V1.5V2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)電池電池的性能指標(biāo)之二:電池電壓電池電壓（V）放電時(shí)間（min）鋰聚合物電池放電時(shí)間圖2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)電池容量：用毫安時(shí)（mAh）來表示

即電池以某個(gè)電流來放電能維持一小時(shí)。1000mAh：電池能保持1000毫安（1安培）放電一小時(shí)。

電池的性能指標(biāo)之三:電池容量2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)電池電池的性能指標(biāo)之四:放電能力放電能力：用倍率（C）來表示，按照電池的標(biāo)稱容量最大可達(dá)到多大的放電電流。

例：一個(gè)1000mAh、10C的電池，最大放電電流可達(dá)：1000ⅹ10=10000毫安，即10安培（A）2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)電池電池的性能指標(biāo)之四:放電能力實(shí)際使用中，電池的放電電流究竟是多少與負(fù)載電阻有關(guān)。？思考：使用11.1V、1000mAh、10C的電池，電動(dòng)機(jī)電阻是1.5Ω，則在電池有12V電壓的情況下，忽略電調(diào)和線路的電阻不計(jì)，電流是多少？

電流=12÷1.5=8安培（A）2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)電池充電倍率：充電倍率=充電電流/額定容量，用來指導(dǎo)選擇合適的充電器。

例：一個(gè)電池容量4000mAh，充電倍率5C的電池，使用的充電器最大充電電流為：4000ⅹ5=20000毫安，即20安培（A）2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)電池練習(xí)：某無人機(jī)鋰聚合物電池上標(biāo)有12000mAh、25C、6S1P的數(shù)據(jù)，如果兩塊相同的電池串聯(lián)，在滿電狀態(tài)下，電壓為多少，可以持續(xù)放出電流最大為多少安培？如果兩塊電池并聯(lián)呢？串聯(lián)：

滿電電壓：4.2V×6×2=50.4V

最大放電電流：12000×25=300000mA=300A并聯(lián)：

滿電電壓：4.2V×6=25.2V

最大放電電流：12000×2×25=600000mA=600A串聯(lián)分壓并聯(lián)分流2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1油動(dòng)力系統(tǒng)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)也叫往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，由氣缸、活塞、連桿、曲軸、氣門機(jī)構(gòu)、螺旋槳減速器、機(jī)匣等組成主要結(jié)構(gòu)?；钊桨l(fā)動(dòng)機(jī)屬于內(nèi)燃機(jī)，它通過燃料在氣缸內(nèi)的燃燒，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能?；钊桨l(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)一般由發(fā)動(dòng)機(jī)本體、進(jìn)氣系統(tǒng)、增壓器、點(diǎn)火系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)以及排氣系統(tǒng)構(gòu)成?；钊慕Y(jié)構(gòu)2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1油動(dòng)力系統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的組成1—進(jìn)氣道

2—壓氣機(jī)

3—燃燒室

4—燃?xì)鉁u輪

5—尾噴管6—加力燃燒室

7—噴油嘴

8—加力噴油嘴

9—可調(diào)噴口作動(dòng)筒2.2無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)2.2.1油動(dòng)力系統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的組成1—螺旋槳減速器2—進(jìn)氣口3—壓氣機(jī)4—燃燒室5—燃?xì)鉁u輪6—噴管2.3無人機(jī)控制站與飛行控制系統(tǒng)2.3.1無人機(jī)控制站無人機(jī)地面站也稱控制站、遙控站或任務(wù)規(guī)劃與控制站。在規(guī)模較大的無人機(jī)系統(tǒng)中，可以有若干個(gè)控制站，這些不同功能的控制站通過通信設(shè)備連接起來，構(gòu)成無人機(jī)地面站系統(tǒng)。2.3無人機(jī)控制站與飛行控制系統(tǒng)2.3.1無人機(jī)控制站功能：指揮調(diào)度功能主要包括上級(jí)指令接收、系統(tǒng)之間聯(lián)絡(luò)、系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)度；任務(wù)規(guī)劃功能主要包括飛行航路規(guī)劃與重規(guī)劃、任務(wù)載荷工作規(guī)劃與重規(guī)劃；操作控制功能主要包括起降操縱、飛行控制操作、任務(wù)載荷操作、數(shù)據(jù)鏈控制；顯示記錄功能主要包括飛行狀態(tài)參數(shù)顯示與記錄、航跡顯示與記錄、任務(wù)載荷信息顯示與記錄等。2.3無人機(jī)控制站與飛行控制系統(tǒng)2.3.2飛控系統(tǒng)飛控系統(tǒng)的工作流程2.4無人機(jī)通信導(dǎo)航系統(tǒng)

無人機(jī)通信導(dǎo)航系統(tǒng)由機(jī)載設(shè)備和地面設(shè)備組成。機(jī)載設(shè)備也稱機(jī)載數(shù)據(jù)終端，包括機(jī)載天線、遙控接收機(jī)、遙測(cè)發(fā)射機(jī)、視頻發(fā)射機(jī)和終端處理機(jī)等。地面設(shè)備包括由天線、遙控發(fā)射機(jī)、遙測(cè)接收機(jī)、視頻接收機(jī)和終端處理機(jī)構(gòu)成的測(cè)控站數(shù)據(jù)終端，以及操縱和監(jiān)測(cè)設(shè)備。2.5無人機(jī)任務(wù)載荷系統(tǒng)2.5.1任務(wù)載荷的概念

任務(wù)載荷是指那些裝備到無人機(jī)上為完成某種任務(wù)的設(shè)備的總稱，包括執(zhí)行電子戰(zhàn)、偵察和武器運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)所需的設(shè)備。無人機(jī)的任務(wù)載荷的快速發(fā)展極大地?cái)U(kuò)展了無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，無人機(jī)根據(jù)其功能和類型的不同，其上裝備的任務(wù)載荷也不同。2.5無人機(jī)任務(wù)載荷系統(tǒng)

任務(wù)載荷是指那些裝備到無人機(jī)上為完成某種任務(wù)的設(shè)備的總稱，包括執(zhí)行電子戰(zhàn)、偵察和武器運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)所需的設(shè)備。無人機(jī)的任務(wù)載荷的快速發(fā)展極大地?cái)U(kuò)展了無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，無人機(jī)根據(jù)其功能和類型的不同，其上裝備的任務(wù)載荷也不同。常用的任務(wù)載荷有：傾斜攝影相機(jī)、光學(xué)照相機(jī)、紅外線熱像儀、空中喊話器、空中探照燈、氣體檢測(cè)儀、紅外相機(jī)、激光雷達(dá)等。2.