四旋翼总体方案

Posted 2020-11-20 liaoxinwaiting

概述

四旋翼是一个很好的平台，无论是用于娱乐还是作为专业学习。尤其作为航天系统专业的同学而言，没有真实产品的支撑，只能依靠仿真软件进行数字设计，所能考虑到的状态无法涵盖真实产品的应用边界，所能考虑到的误差特性与实际存在较大差异，因此迫切需要基于一个类似平台进行应用级开发实践。四旋翼就是一个不错的选择，其所需应用到的专业技术体系可以说一个“小总体”，牵涉气动、动力、制导、控制等，各种软件算法也与航天系统的应用极为相似，因此强烈建议基于四旋翼平台进行开发学习（“基于产品做设计才能真正掌握精髓”），亮点为：

• 涉及加表（加速度计）、陀螺仪、磁力仪、GPS、气压计、光流、数传、电机、电源等硬件；
• 涉及气动、PID/稳定回路控制、导引、任务规划、探测、数据通信等分系统；
• 涉及PID控制算法、惯测组合标定、惯性导航、多传感器信息融合、协同制导、群目标分配等算法；
• 附加项。涉及双目摄像头、TX2等硬件；
• 附加项。涉及双目测距/测向、目标识别、深度学习等软件算法；
• 未完待续ing......

组成

四旋翼主要包含以下几个重要组件：

• 机架，提供机械接口以及约束限制螺旋桨尺寸。
• 飞控板，飞行控制电路板/集合，一般集成了加表、陀螺等传感器。
• 电调（ESC），将飞控板输出的控制信号转换为电机的输入信号。
• 电机，根据电调的输出信号进行旋转输出转速。
• 螺旋桨，旋转，提供升力。
• 电池，供电。
• 遥控器，用户进行油门及机动指令控制。
• GPS，进行四旋翼定位。

配置方案

机架

选配S500（轴距485mm，最大支持12寸螺旋桨），考虑因素：

• 与螺旋桨的搭配；
• 外挂云台、摄像机等。
  详见下图，图片源自淘宝。
  

飞控板

由于主要是基于四旋翼平台进行开发学习，因此选用一个可DIY且传感器丰富的飞控平台，推荐pixhawk2.1。
详见下图，图片源自淘宝。

pixhawk2.1配置官方说明，详见下图。

电调ESC

选配好盈铂金30A，可持续承受30A电流，最大允许40A电流（持续时间不大于10min）。这里主要考虑一下两点：

• 续航电流。与电机的选配相关，应大于电机+螺旋桨在100%油门情况下所需的电流（详见下文）。
• BEC输出。由于老式的遥控器接收机需要单独的5-6V供电，因此需要电调有个BEC输出口，进行遥控器接收机的供电。当前市面上的遥控器接收机一般均可以直接采用飞控板的输出口进行供电，因此可选配NO BEC的电调ESC。
  详见下图，图片源自淘宝。
  

电机及螺旋桨

电机基础知识

本节主要参考了WalkAnt的博客。

• KV值：每1V的电压下电机每分钟空转的转速（如KV800：1V的电压下空转转速是800转每分钟；10V的电压下空转转速是8000转每分钟）。KV值越小，同等电压下转速越低，扭力越大，可带更大的桨。KV值越大，同等电压下转速越高，扭力越小，只能带小桨。相对的说KV值越小，效率就越高。航拍要选用低KV电机配大桨，转速低，效率高，同样低转速电机的震动也小。
• 电机型号：如2212，3508，4010，这些数字表示电机定子的直径和高度。前面两位是定子直径，后面两位是定子高度，单位是毫米。
• 顺丝、反丝：与螺旋桨配合时与电机顺时针旋转、逆时针旋转有关，详见后文总装方案。

螺旋桨基础知识

本节主要参考了WalkAnt的博客。

• 螺旋桨规格：一般由4位数字表示，前两位数表示直径，后两位表示螺距。以1060浆为例，10表示桨的直径是10英寸，60表示浆角（螺距，6.0英寸，也就是152.4mm)。
• 正桨、反桨：与螺旋桨配合时与电机顺时针旋转、逆时针旋转有关，详见后文总装方案。

螺旋桨与机架配置方案

本节主要参考了WalkAnt的博客。
机架轴距 = (桨的英寸*25.4/0.8/sqrt(2))*2
桨的尺寸(英寸) = (机架轴距/2)*sqrt(2)*0.8/25.4
可由以上公式进行初步估算，但是最终可酌情处理，只需螺旋桨半径不大于机架机臂长度即可。

电机、螺旋桨、电调配置方案

电机选配飓风U2216+（顺丝2个、反丝2个）；螺旋桨选配ATG1147（正桨2个、反桨2个）。
详见下图，图片源自淘宝1、淘宝2。

电机、螺旋桨、电调配置方案主要考虑因素：

• 整机重量约束，单个电机+螺旋桨时如下图所示。
  
  注：一般选择2/5～3/5的100%油门状态作为巡航状态，进而保证四旋翼有足够的裕量抗风及其他干扰！！！
• 电调巡航电流须大于100%油门对应的电流，最好保留5A的裕度。
• 选电机一定要看参数表（如上图所示），如果没有参数表，请不要选择！！！！！！

电池及平衡充

电池基础知识

• 电池容量，如5200mAh：以5.2A电流放电，可以放1小时。
• 放电能力，与电池容量一起约束电池的最大持续放电电流，有
  最大持续放电电流=电池容量X放电C
  如5200mAh、30C的电池，则最大的持续电流就是(5.2X30=156)A。如果该电池长时间超过156安或以上电流工作，那么电池的寿命会变短。
• 电池片数，如4S：该电池有4片电池串联组成。充满电时，单片电池的电压一般4.15-4.20V（4S电池对应16.6-16.8V）。
• 保护电压：为保证电池最佳供电状态，应设置单片电池最低电压为3.6V以上（4S对应14.4V，切记不要过放）。

电池及平衡充配置方案

• GPS。搭配使用赫星的HERE GPS，有条件的同学可以配置一个赫星的差分导航产品ublox RTK GPS HERE+ M8P。

总装方案

注意事项

能力论证

四旋翼主要由飞控板