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科普 | 植保無(wú)人機(jī)技術(shù)小知識(shí)之四旋翼無(wú)人機(jī)
四旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)總結(jié)
01無(wú)人機(jī)的類(lèi)型
無(wú)人機(jī)分為固定翼和旋翼無(wú)人機(jī)。
固定翼無(wú)人機(jī)依靠螺旋槳或者渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力作為飛機(jī)向前飛行的動(dòng)力，主要的升力來(lái)自機(jī)翼與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是飛行速度快，比較經(jīng)濟(jì)，運(yùn)載能力大。
旋翼無(wú)人機(jī)依靠空氣中旋轉(zhuǎn)螺旋槳產(chǎn)生足夠的升力來(lái)平衡重力，實(shí)現(xiàn)飛行。其優(yōu)點(diǎn)是可垂直起降、可懸停，靈活易于控制。
02四旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)
1、安裝平臺(tái)
機(jī)體。機(jī)體由機(jī)架、外伸臂、分電板、載荷區(qū)、起落架組成。
(1)機(jī)架用于連接外伸臂、裝下飛控板等設(shè)備，經(jīng)常使用玻璃鋼或碳纖維復(fù)合材料制作。
(2)外伸臂用于安裝4個(gè)電動(dòng)機(jī)，經(jīng)常使用塑料、玻璃鋼、碳纖維復(fù)合材料制作，選材時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮強(qiáng)度和質(zhì)量。
(3)分電板用于電動(dòng)機(jī)、電調(diào)、電源之間的焊接連接，有些還帶有電壓調(diào)節(jié)器，以驅(qū)動(dòng)額外設(shè)備。
(4)載荷區(qū)用于承載相機(jī)、云臺(tái)、農(nóng)藥箱等設(shè)備。
(5)起落架用于在著陸時(shí)保護(hù)機(jī)身。
2、感知與控制
自動(dòng)駕駛儀。自動(dòng)駕駛儀可分為飛行控制器、外部傳感器系統(tǒng)、通信、驅(qū)動(dòng)。
(1)飛行控制器主要功能有兩點(diǎn)。接收來(lái)自遙控器的信號(hào)，控制電調(diào)輸出，進(jìn)而調(diào)整螺旋槳的轉(zhuǎn)速完成無(wú)人機(jī)的起飛、懸停、俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航、降落等動(dòng)作；通過(guò)傳感器的數(shù)據(jù)，在無(wú)控情況下，通過(guò)電調(diào)輸出，穩(wěn)定飛行器。
(2)加速度計(jì)和陀螺儀是基礎(chǔ)的兩個(gè)傳感器，用來(lái)保持無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定。它們測(cè)量無(wú)人機(jī)的姿態(tài)角度和旋轉(zhuǎn)角速度，多數(shù)都包含3個(gè)測(cè)量單元，用來(lái)測(cè)量3個(gè)軸向的數(shù)據(jù)。如所有傳感器一樣，使用前需要先校準(zhǔn)。
(3)氣壓計(jì)是用來(lái)測(cè)高的傳感器，根據(jù)氣壓和高度的變化關(guān)系，可以很好地測(cè)出高度的改變，一般內(nèi)置一個(gè)溫度傳感器，用來(lái)補(bǔ)償溫度變化帶來(lái)的影響。可以配合GPS獲得海平面高度值，以修正高度。
(4)磁力計(jì)是用來(lái)定向的傳感器，如指南針一樣，利用地磁確定方向，使用時(shí)注意盡量避免強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾。
(5)GPS衛(wèi)星定位傳感器可以為無(wú)人機(jī)提供位置、高度的信息，目前使用差分GPS定位精度可以達(dá)到0.5m甚至0.3m。
(6)電壓與電流傳感器用來(lái)測(cè)量飛控板塊及驅(qū)動(dòng)電壓是否符合要求。只有穩(wěn)定的電源電壓才能讓設(shè)備穩(wěn)定地工作。另外，此傳感器也用來(lái)測(cè)電源剩余電量。
(7)距離傳感器分為超聲和紅外傳感器，在無(wú)人機(jī)避障，著陸都有應(yīng)用。
(8)地面站包含所有針對(duì)無(wú)人機(jī)在地面使用的裝置。地面站的遙測(cè)模塊可以與無(wú)人機(jī)雙向通信，跟蹤天線模塊可以擴(kuò)大工作范圍，地面站軟件可以把收集的數(shù)據(jù)形象地顯示出來(lái)。
3、動(dòng)力系統(tǒng)
電機(jī)與電調(diào)。
(1)電機(jī)是無(wú)人機(jī)的動(dòng)力來(lái)源，目前主要使用無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，使用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電子換向，使用壽命長(zhǎng)，動(dòng)力比較強(qiáng)勁。
(2)電子調(diào)速器是用于控制無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的設(shè)備，它將時(shí)序的電能傳給電動(dòng)機(jī)，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
(3)螺旋槳。螺旋槳直接產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)的推力，使之運(yùn)動(dòng)，螺旋槳的選擇取決于電機(jī)和電調(diào)，材料主要有塑料、碳纖維、木質(zhì)。螺旋槳的安裝關(guān)系無(wú)人機(jī)和人身的安全，可以通過(guò)螺旋槳適配器固定它。
(4)電池。為無(wú)人機(jī)上的所有設(shè)備提供電能。電池的選擇應(yīng)同時(shí)考慮重量和容量，其中鋰聚合物電池的能量密度大。
其中共有8中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：
狀態(tài)
F1電動(dòng)機(jī)
F2電動(dòng)機(jī)
F3電動(dòng)機(jī)
F4電動(dòng)機(jī)
上升
↑
↑
↑
↑
下降
↓
↓
↓
↓
左旋
↑
↓
↓
↑
右旋
↓
↑
↑
↓
左飛
↓
↑
↓
↑
右飛
↑
↓
↑
↓
前飛
↓
↓
↑
↑
后飛
↑
↑
↓
↓
左旋分析：從極限情況思考，如果2、3旋翼停止旋轉(zhuǎn)，只有1、4旋翼旋轉(zhuǎn)，1、4產(chǎn)生的扭矩方向相同，都使無(wú)人機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而兩者產(chǎn)生的離心力又相互抵消，所以無(wú)人機(jī)質(zhì)心并不移動(dòng)。右旋分析類(lèi)似。
左飛分析：1、3旋翼降低轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生的升力減小；2、4旋翼提高轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生的升力增加，所以無(wú)人機(jī)發(fā)生向左傾斜，F(xiàn)和mg的合力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向左的力，牽引無(wú)人機(jī)左飛。右飛、前飛、后飛分析類(lèi)似。
