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摘 要：近年来，随着现代航空技术、智能电子技术、机器人技术及网络技术的发展，无人机技术得到了迅速提高，在军事和民用等領域都得到了广泛的应用。尤其在民用领域，无人机可以代替人类完成很多繁重甚至无法正常完成的工作。本文简要介绍了目前在民用领域较普及的多旋翼无人机的飞行原理、平台系统构成、飞行控制、各分系统的构成特点以及自诊断修复等知识。
关键词：无人机；多旋翼；导航；飞控；动力系统；诊断修复
目前，无人机按照飞行平台构型分为固定翼、旋翼、无人飞艇、伞翼和扑翼等类型。其中旋翼无人机又分为单（双）旋翼直升机、多旋翼无人机以及变模态旋翼机等类型。而多旋翼无人机以其机构简单、造价低、便于小型化生产以及便于很快掌握飞行技术等优点，已广泛应用于各类生产及生活当中。常见多旋翼无人机主要有四轴、六轴和八轴等类型。
一、飞行原理
简单说，多旋翼飛行器是基于同一平台上的多台电动机带动桨叶同时旋转与空气产生相对运动而获得升力的。常用的有两种架构模式：X字模式和十字模式 。X模式以其效率高而得到广泛使用。多个电机对称分布在各个轴上，并且同一条轴线上电机的旋转方向要保证相同，相邻的电机旋转方向相反， 是为了克服反扭矩的影响。通过控制各个电机的转速来完成绕横轴（X）的俯仰、绕纵轴（Y）的横滚以及绕竖轴（Z）的偏航等飞行动作。
二、平台系统
主要由结构、飞控、动力和机载链路分系统构成。其中结构分系统主要有机架、脚架和云台等；飞控分系统包括主控、飞控软硬件、外接式IMU（惯性测量单元）、各类外接传感器以及GPS天线等；动力分系统主要包括螺旋桨、电机、电调和电池；机载链路分系统主要有遥控接收机、机载数传模块天线和机载图传模块天线。具体由控制、姿态测量、电源供电、无线通信、GPS卫星定位、遥控器控制、电机驱动、串口通信、地面站等模块组成。
三、飞行控制
飞行控制器简称飞控，是无人机的核心构件。飞控获得从机载接收机发出的PWM（脉宽调制）信号，随后把该信号转化成控制量，再经过PID（比例积分微分）调节把输出量输送给给各个电机来控制飞行器的动作。GPS卫星定位系统检测到4颗以上卫星就可以配合上位机输入对应坐标点读取定位数据，控制系统就会自动生成航线，并且与存储的定位坐标做实时的对比来修正航线。现在的飞控都带有电子陀螺仪，磁罗盘，加速度计，气压计等传感器，在姿态稳定的模式下，通过软件算法来解析飞行器姿态，修正由于飞行器安装、外界干扰、零件之间的差异等原因形成的姿态异常，帮助保持稳定状态。一些安装有GPS的飞控可以在遥控失控等特殊情况下自动返回起飞点。
四、动力系统
（一）电机
通常选用外转子无刷交流同步电动机，参数主要有大小尺寸、KV值、匝数和效率。尺寸是指电机定子线圈直径和高度，KV值是指每外加1V的电压电机每分钟空转的转速，定子线圈匝数用多少T表示，例如：9T。同等电压下，匝数多的KV值小而扭矩大适合带大桨；而匝数少的KV值大而扭矩小适合带小桨。效率的标注方式是g/W（克/瓦），电机电流控制在3-5A时效率是最高， KV值越小效率越高。正常飞行时的效率保持8g/W以上，可保证良好的续航能力。
（二）电池
主要包括：镍氢电池、镍铬电池和锂聚合物电池等。前两种电池因重量重、能量密度低已被聚合物锂电池所取代。电池的标称主要有电压、容量和放电能力。放电能力用多少C表示，最大持续放电电流是电池容量乘以C，例如：5200mAh电池最大的持续放电电流就是5.2*30=156A；电池电压由串联的片数决定，用多少S表示，单片的充满电压为4.2V，额定电压为3.7V，而终止放电电压不得低于2.5V。例如：4S锂电池充满电压为4*4.2V=16.8V，额定电压为4*3.7V=14.8V，放电终止电压为4*2.5V=10V。
（三）螺旋桨
螺旋桨规格由4位数字表示，前两位数表示桨径，后两位数表示螺距。桨的材质主要有塑料、碳纤和木质三种。当然是选择碳纤维桨最好，如果载重很大的话可以选择榉木桨。一般情况，大KV值配小桨，小KV值配大桨；同样KV的电机，使用不同电压的电池，用的螺旋桨也有区别，每个电机都会有一个推荐的螺旋桨；还有天热时就要用小些的桨，防止电机过热，而在北方冬季，可以用大些的螺旋桨来抵消电池低温放电性能下降。
（四）电子调速器
电子调速器（ESC）简称电调，它是根据飞控的控制信号，将电池的直流输入转变为一定频率的交流输出，用于控制电机的转速。电调规格标注的是其瞬时承受电流，一般要选用高于飞行器悬停电流的4～5倍。电调的供电能力是指如果电调上标注BEC5V1A，表明可以通过杜邦线向飞控或接收机提供5V电压和5W的功率。电调接电机的三根线中任意调换两根就可改变电机转向，通过遥控器设置电调时一定要接上电机。
五、通讯链路
无人机与控制站之间的实时信息交换需要通过通讯链路来实现。目前，民用无人机通讯链路主要就3条：
一是手持遥控器（RC）与机载接收机的单向上传链路（72M、433M、2.4G）；
二是笔记本电脑链接的数传发射模块与机载接收模块的双向通讯链路（900M、2.4G）；
三是机载图传发射模块与地面接收模块的单向下传链路（1.2G、2.4G、5.8G）。
六、故障诊断与自修复
复杂飞行环境下的故障诊断与容错能力可以提高无人机飞行的安全性、可靠性及早期故障的适应与防护能力，同时自诊断与自修复能力也是构成完全自主飞行控制系统的基础。目前，不断增大的无人机架构和其昂贵的任务设备要求无人机自我修复的最佳方案就是构造双闭环控制系统，以保证在发生故障时可以自行启动辅助控制，产生报警信息，从而实现自我修复保护飞行器自身安全。
当前，虽然多旋翼无人机越来越得到广泛应用，但同时也面临动力装置缺陷，续航能力不足，智能化程度不够以及机动能力差等缺点。在复杂多变的环境条件下如果缺乏人的控制干预，容易出现意外情况发生。因此，笔者认为，提高无人机续航和机动能力、更高智能自主飞行控制、决策、管理及健康诊断和自修复将成为其今后研发的重点。
作者简介：刘远星（1967-），男，石家庄市机械技工学校电气专业部主任。
关键词：无人机；多旋翼；导航；飞控；动力系统；诊断修复
目前，无人机按照飞行平台构型分为固定翼、旋翼、无人飞艇、伞翼和扑翼等类型。其中旋翼无人机又分为单（双）旋翼直升机、多旋翼无人机以及变模态旋翼机等类型。而多旋翼无人机以其机构简单、造价低、便于小型化生产以及便于很快掌握飞行技术等优点，已广泛应用于各类生产及生活当中。常见多旋翼无人机主要有四轴、六轴和八轴等类型。
一、飞行原理
简单说，多旋翼飛行器是基于同一平台上的多台电动机带动桨叶同时旋转与空气产生相对运动而获得升力的。常用的有两种架构模式：X字模式和十字模式 。X模式以其效率高而得到广泛使用。多个电机对称分布在各个轴上，并且同一条轴线上电机的旋转方向要保证相同，相邻的电机旋转方向相反， 是为了克服反扭矩的影响。通过控制各个电机的转速来完成绕横轴（X）的俯仰、绕纵轴（Y）的横滚以及绕竖轴（Z）的偏航等飞行动作。
二、平台系统
主要由结构、飞控、动力和机载链路分系统构成。其中结构分系统主要有机架、脚架和云台等；飞控分系统包括主控、飞控软硬件、外接式IMU（惯性测量单元）、各类外接传感器以及GPS天线等；动力分系统主要包括螺旋桨、电机、电调和电池；机载链路分系统主要有遥控接收机、机载数传模块天线和机载图传模块天线。具体由控制、姿态测量、电源供电、无线通信、GPS卫星定位、遥控器控制、电机驱动、串口通信、地面站等模块组成。
三、飞行控制
飞行控制器简称飞控，是无人机的核心构件。飞控获得从机载接收机发出的PWM（脉宽调制）信号，随后把该信号转化成控制量，再经过PID（比例积分微分）调节把输出量输送给给各个电机来控制飞行器的动作。GPS卫星定位系统检测到4颗以上卫星就可以配合上位机输入对应坐标点读取定位数据，控制系统就会自动生成航线，并且与存储的定位坐标做实时的对比来修正航线。现在的飞控都带有电子陀螺仪，磁罗盘，加速度计，气压计等传感器，在姿态稳定的模式下，通过软件算法来解析飞行器姿态，修正由于飞行器安装、外界干扰、零件之间的差异等原因形成的姿态异常，帮助保持稳定状态。一些安装有GPS的飞控可以在遥控失控等特殊情况下自动返回起飞点。
四、动力系统
（一）电机
通常选用外转子无刷交流同步电动机，参数主要有大小尺寸、KV值、匝数和效率。尺寸是指电机定子线圈直径和高度，KV值是指每外加1V的电压电机每分钟空转的转速，定子线圈匝数用多少T表示，例如：9T。同等电压下，匝数多的KV值小而扭矩大适合带大桨；而匝数少的KV值大而扭矩小适合带小桨。效率的标注方式是g/W（克/瓦），电机电流控制在3-5A时效率是最高， KV值越小效率越高。正常飞行时的效率保持8g/W以上，可保证良好的续航能力。
（二）电池
主要包括：镍氢电池、镍铬电池和锂聚合物电池等。前两种电池因重量重、能量密度低已被聚合物锂电池所取代。电池的标称主要有电压、容量和放电能力。放电能力用多少C表示，最大持续放电电流是电池容量乘以C，例如：5200mAh电池最大的持续放电电流就是5.2*30=156A；电池电压由串联的片数决定，用多少S表示，单片的充满电压为4.2V，额定电压为3.7V，而终止放电电压不得低于2.5V。例如：4S锂电池充满电压为4*4.2V=16.8V，额定电压为4*3.7V=14.8V，放电终止电压为4*2.5V=10V。
（三）螺旋桨
螺旋桨规格由4位数字表示，前两位数表示桨径，后两位数表示螺距。桨的材质主要有塑料、碳纤和木质三种。当然是选择碳纤维桨最好，如果载重很大的话可以选择榉木桨。一般情况，大KV值配小桨，小KV值配大桨；同样KV的电机，使用不同电压的电池，用的螺旋桨也有区别，每个电机都会有一个推荐的螺旋桨；还有天热时就要用小些的桨，防止电机过热，而在北方冬季，可以用大些的螺旋桨来抵消电池低温放电性能下降。
（四）电子调速器
电子调速器（ESC）简称电调，它是根据飞控的控制信号，将电池的直流输入转变为一定频率的交流输出，用于控制电机的转速。电调规格标注的是其瞬时承受电流，一般要选用高于飞行器悬停电流的4～5倍。电调的供电能力是指如果电调上标注BEC5V1A，表明可以通过杜邦线向飞控或接收机提供5V电压和5W的功率。电调接电机的三根线中任意调换两根就可改变电机转向，通过遥控器设置电调时一定要接上电机。
五、通讯链路
无人机与控制站之间的实时信息交换需要通过通讯链路来实现。目前，民用无人机通讯链路主要就3条：
一是手持遥控器（RC）与机载接收机的单向上传链路（72M、433M、2.4G）；
二是笔记本电脑链接的数传发射模块与机载接收模块的双向通讯链路（900M、2.4G）；
三是机载图传发射模块与地面接收模块的单向下传链路（1.2G、2.4G、5.8G）。
六、故障诊断与自修复
复杂飞行环境下的故障诊断与容错能力可以提高无人机飞行的安全性、可靠性及早期故障的适应与防护能力，同时自诊断与自修复能力也是构成完全自主飞行控制系统的基础。目前，不断增大的无人机架构和其昂贵的任务设备要求无人机自我修复的最佳方案就是构造双闭环控制系统，以保证在发生故障时可以自行启动辅助控制，产生报警信息，从而实现自我修复保护飞行器自身安全。
当前，虽然多旋翼无人机越来越得到广泛应用，但同时也面临动力装置缺陷，续航能力不足，智能化程度不够以及机动能力差等缺点。在复杂多变的环境条件下如果缺乏人的控制干预，容易出现意外情况发生。因此，笔者认为，提高无人机续航和机动能力、更高智能自主飞行控制、决策、管理及健康诊断和自修复将成为其今后研发的重点。
作者简介：刘远星（1967-），男，石家庄市机械技工学校电气专业部主任。