机器人 - 无人机基础(1) - 无人机组成

目录

一、机架系统

1.1 中心板

1.2 机臂

1.3 脚架

二、动力系统

2.1 直流有刷电机

2.2 直流无刷电机

2.3 桨叶

三、电源部分

3.1 电池

四、电调

4.1 电调介绍

4.2 电调参数

五、飞控

5.1 飞控介绍

六、遥控器与接收机

6.1 分类

6.2 编码方式

6.3 射频调制方式

6.4 民用频段

6.5 遥控器参数

七、各类系统

7.1 遥测链路数传系统

7.2 光流定位系统

7.3 全球卫星导航系统GNSS

7.4 高度计

7.5 导航系统

7.5.1 惯性导航INS

7.5.2 GNSS导航

7.5.3 多普勒导航

7.5.4 地形辅助导航

7.5.5 地磁导航

7.6 无线图传系统

7.7 地面站控制系统

7.8 避障系统

一、机架系统

1.1 中心板

可以用碳纤、玻纤、FR4等材料； 2-4层，也可以根据功能多加层； 上面需要放 飞控模块、GPS模块、光流模块、超声波模块、任务载荷模块、云台、摄像头等；

1.2 机臂

放电机那根玩意；

1.3 脚架

这个应该不用解释， 有的飞机的脚架是固定式的，有的是控制机臂起落式的；

二、动力系统

主要包含桨叶和电机

2.1 直流有刷电机

用的多的一般是空心杯有刷电机，也就是转子无铁芯设计； 特点是功耗低、灵敏、转速稳定、响应好； 一般用在小无人机上；

2.2 直流无刷电机

主要是没电刷，降低电磁打火对设备干扰，而且没电刷，寿命也长了； (1).尺寸：比如2212，22是电机转子直径22mm，12是电机转子高度是12mm，基本上尺寸越大，电机功率越大； (2).标称空载kV值：定义为 转速/伏特，比如1000kV，是外加1V电压，每分钟空转1000下。但是不同kV值适用不同桨叶； (3).标称空载电流电压：空载的情况下，给电压，对应的电流； (4).最大电流：极限值，只能短时间出现，不然减电机寿命；

2.3 桨叶

需要不同轴旋转方向不一样，表现为相邻两个轴的旋转方向相反； 假如都往一个方向转，那起飞的时候，无人机是螺旋起飞； 正桨：从上往下看，顺时针旋转； 反桨：从上往下看，逆时针旋转； 参数说明： (1).型号：1045桨，表示直径10英寸，螺距4.5英寸； 螺距指桨旋转一周，向前推进的距离； 1英寸为2.54cm； (2).叶数：两叶用的多，也有小飞机提高升力，用三叶； (3).安全转速：桨叶柔性的，超过一定转速桨叶形变； 一般低速大螺旋桨 比 高速小螺旋桨 的力效更高，但是振动更大；

三、电源部分

3.1 电池

(1).放电倍率：C值，表示电池能放多大电，1C是按1小时放完电， 放电倍率(C) = 充放电电流 / 额定容量； 比如我这有个6Ah容量，放电倍率5C的电池，那它最大放电电流为5*6=30A，但是只能持续; (2).电池容量：不多说… (3).串并数(xSyP)：串联加电压，并联加电流和容量，比如6S2P，表示6串2并； (4).内阻：内阻小的放电能力强，反之；电池内阻也不是常数，会变的； 这里解释一下为什么放电后期电压变小，按理来说电池剩余容量和电流基本呈现线性下降关系；但是放电后期，或者电流特大的时候，电池内阻也变大，导致压降也就越大，从而导致输出电压变小； 电池容量的检测办法： 1.查表：检测单节电芯电压，不同电压对应不同的容量，这个方法…不太好用，不是很线性; 2.输出电流积分：可以去查一下类似库仑计或者库仑算法； 3.电量计：比如作为牛马的我，最近要搞的一个TI电量计，我别的文章里有涉及到，BQ40Z80，德州仪器的，它用的是阻抗跟踪算法。就是配起来很麻烦…我现在有空在这写文章，也就是因为电池还在跑Golden Learning，在充电…希望我领导不会看到这篇文章…

四、电调

4.1 电调介绍

电子调速器，因为飞控上面的控制信号没法直接给电机用； 所以需要电调在中间”转换“，把飞控传过来的PWM信号，转成对应的电压电流给到电机，从而实现控制电机的转速； 然后有个BEC功能，是电调板上转个5V给系统供电；

4.2 电调参数

(1).电流：选电调或者自己做电调的时候要注意电流，也就是电机最大电流，具体的话一般是在MOS选型那块，假如你自己想加个电流检测，那么检测电阻的阻值和最大功率也得注意； (2).内阻：这个主要是和电调发热有关系；

五、飞控

5.1 飞控介绍

一般来说，上面集成 陀螺仪、加速度计、气压计、GPS、控制电路等； 利用IMU惯性测量单元，对状态、姿态进行估计；

六、遥控器与接收机

6.1 分类

(1).便携式：操作简单、距离短； (2).测控地面站：地面站通过大功率扩频通信机，或者卫星链路通信；

6.2 编码方式

(1).PPM调制，脉冲位置调制，也称脉位调制； 这种方式对于强干扰环境不太行，尤其是同频干扰； (2).PCM调制，脉冲编码调制，称为脉码调制；

6.3 射频调制方式

分为 FM调频 和 AM调幅，常见的组合为 PPM/AM  、 PPM/FM  、 PCM/FM；

6.4 民用频段

72MHz、2.4GHz、5.8GHz

6.5 遥控器参数

(1).通道数：遥控的控制通道路数，至少要4通道，油门、航向、俯仰、横滚； (2).频点：射频载波频率，一般是2.4GHz的； (3).油门位置：也称美国手/日本手，美国手油门在左，日本手在右； (4).遥控距离

七、各类系统

7.1 遥测链路数传系统

这个主要用于地面控制对无人机实时飞行状态的感知与定位； 由数传模块和地面站组成；

类似的有：3DR Radio Telemetry 或者 N920F-ENC数传电台模块

7.2 光流定位系统

比如 PX4Flow 光流传感器； 用于获取 速度、位置信息；

7.3 全球卫星导航系统GNSS

比如美国的GPS，中国北斗BDS，用于测距、测速；

7.4 高度计

因为GNSS高度信息不准，所以外加高度计来检测； 一般有 超声波、气压高度传感器； (1).超声波高度传感器：换能晶片在电压激励下发生振动，发射超声波，然后配个超声波接收器接收；一般可以在无人机正下方安装一个，优点是能测绝对距离，一般范围在1.5~2m精度高，再高一点的话，测到的数据不怎么准，一般用于近距离的； (2).气压高度计：利用大气压强和海拔之间存在的对应关系； 气压计输出的是相对海平面高度，一般用在比较高的地方； (3).激光高度计：有点类似超声波，但是利用激光作为发射源；精度高、距离远、成本高； 光线容易受到空气灰尘、反射面干扰；

7.5 导航系统

7.5.1 惯性导航INS

内部集成惯性测量单元，不依赖GPS，也不用往外部发射能量； 测量 加速度、角速度，对时间进行积分，解算载体在惯性参考系中的速度、位置、姿态角信息； 缺点是利用时间积分推算，过程中的误差、积分误差消除不了，会一直影响后面； 说白了越久的话，误差越大； 所以一般需要INS+GPS，利用GPS来定期修正惯导的误差； 之前做导航模块的时候，他们也用的是INS+GPS+磁力计的组合导航系统；

7.5.2 GNSS导航

利用卫星定位，在GNSS导航电文中包含 卫星星历、工作状况、时钟改正、经纬度等； 无人机受到电文的时候，利用接收端的时间、与卫星发射时的报文中包含的时间，从而得知一个时间差，利用时间差来推算卫星与无人机之间的伪位置； 然后利用卫星电文中的星历数据，推算出卫星发射电文时的位置； 缺点是怕无人机与卫星时钟不同步，而且会受电磁干扰，而且没法快速更新导航信息；

7.5.3 多普勒导航

利用多普勒效应测定多普勒频移，从而计算出无人机当前的速度和位置来进行导航；

优点是速度快、精度高、抗干扰能力强， 缺点是工作时要发射电磁波，隐蔽性不好。而且沙漠和水面上工作的时候，反射电磁波能力降低，导致性能降低，测量时也会有累积误差；

7.5.4 地形辅助导航

预先存储飞行路线中的地形特征数据，后续用来进行导航修正；

7.5.5 地磁导航

这种方法需要存储大量的地磁数据；

7.6 无线图传系统

无线图传主要应用的开发载波频段有： 2.4G、3.5G、5.8G、26G等； 基于不同频段，在传输技术体制上分为：模拟传输、 GSM/GPRS/CDMA、 数字微波、 扩频微波、 无线网、 OFDM等； (1).模拟传输：把图像数据模拟信号进行中频调制、FM载波调制、传输； 它的优势是价格便宜、响应快，适合FPV穿越机这种图像系统容错要求低、不注重画质； 模拟图传用的是单载波，所以需要在目视环境下传输，信号被阻挡的话，衰减很大；

(2).GSM/GPRS/3G/4G CDMA：可以很远，但是传输速率受限，公网负载重时会影响； (3).数字微波、扩频微波：高带宽，单载波，传输路径容易受限； (4).OFDM：属于数字无线图传，多载波；通过增加功率实现更远传输；

7.7 地面站控制系统

主要用于对机载系统的遥测和遥控； 遥测：监视飞机状态、姿态等；

7.8 避障系统

目前一般用 超声波避障、激光雷达测距、微波雷达、双目视觉传感器等； (1).超声波：简单、低价，但是对反射物体材质有一定要求，否则会显著降低精度； (2).激光雷达(TOF)：比较贵，光波、系统也会受到干扰； 关于避障部分，可以看一下MIT  CSAIL提出的无人机避障系统；