多旋翼飛行器的制造方法
【專利說明】多旋翼飛行器 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及飛行技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種多旋翼飛行器。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 多旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單，成本較為低廉，性能以及飛行控制技術(shù)越來越完 善，具有廣闊的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為國(guó)際上的一大流行熱點(diǎn)。
[0003] 多旋翼飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)主要包括電池，電機(jī)，螺旋槳以及電子調(diào)速器，再配合各 種傳感器和飛控軟件，通過電子調(diào)速器調(diào)節(jié)電機(jī)的電流大小，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得螺 旋槳產(chǎn)生的拉力和各個(gè)方向的力矩能實(shí)現(xiàn)多旋翼飛行器的起飛、降落以及其他飛行姿態(tài)的 控制。
[0004] 目前，多旋翼飛行器，無(wú)論是4旋翼，6旋翼或是8旋翼甚至更多，結(jié)構(gòu)大同小異。 各個(gè)旋翼方向上的飛行器基本都采用同樣規(guī)格的電子調(diào)速器，電機(jī)和螺旋槳，從現(xiàn)有的飛 行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力系統(tǒng)搭配而言，對(duì)于其性能如最大負(fù)載，可操控性，穩(wěn)定性，機(jī)動(dòng)性和 續(xù)航時(shí)間等方面的提升已經(jīng)到達(dá)一個(gè)極限，不足以滿足越來越高的性能和安全性要求。
[0005] 以現(xiàn)有的一種4旋翼飛行器為例，4個(gè)電機(jī)分布在四頂角，且位于同一平面，中心 對(duì)稱，規(guī)格一致，通過4個(gè)一致化的獨(dú)立的電子調(diào)速器來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)同樣尺寸和螺 距但順反不同的螺旋槳產(chǎn)生升力。相鄰的的螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向相反來保證水平面上的扭矩 平衡。通過各種傳感器（如加速度感應(yīng)器，陀螺儀等）測(cè)出即時(shí)姿態(tài)參數(shù)，飛控軟件通過計(jì) 算姿態(tài)參數(shù)后輸出信號(hào)給電子調(diào)速器，以調(diào)節(jié)電流來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，從而產(chǎn)生拉力 和力矩的變化，最終控制飛行器的各個(gè)姿態(tài)。其他多旋翼飛行器例如6旋翼、8旋翼飛行器 的姿態(tài)控制均類似。
[0006] 負(fù)載：
[0007] 根據(jù)螺旋槳的拉力計(jì)算公式得知，螺距不變的情況下，螺旋槳轉(zhuǎn)速越快，直徑越 長(zhǎng)，面積越大，拉力越大。對(duì)于選定規(guī)格的螺旋槳，只有提高轉(zhuǎn)速才能使得拉力提高。但由 于電機(jī)的效率與螺旋槳的轉(zhuǎn)速并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，隨著轉(zhuǎn)速提高，拉力雖然也增加，但 幅度下降，也即效率沒有同等程度的提升，反而會(huì)下降，同時(shí)溫度急劇升高，對(duì)于飛行器的 操控性，安全性，電池續(xù)航能力等其他性能都產(chǎn)生不利影響。
[0008] 提升電機(jī)效率的簡(jiǎn)單有效方法就是加大軸距，選擇直徑更長(zhǎng)的槳葉，同時(shí)選擇更 大規(guī)格的電機(jī)如盤式電機(jī)，在提供同樣升力的情況下，效率大大提高。但電機(jī)重量也隨之增 加，同時(shí)槳葉強(qiáng)度要求更高，重量更大，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致可操控性和機(jī)動(dòng)性等其他方面的性能大 大降低而不能滿足要求。
[0009] 可操控性：
[0010] 可操控性的影響因素主要包括飛控軟件、電子調(diào)速器、螺旋槳和電機(jī)等的響應(yīng)速 度。由于前兩者的響應(yīng)速度基本都是毫秒級(jí)，因此飛行器的的操控性主要取決于電機(jī)和螺 旋槳的響應(yīng)速度。電機(jī)越大越重，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，螺旋槳亦然，而角加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量成反比，越大的電機(jī)和槳葉響應(yīng)速度越慢，對(duì)于操控性都有負(fù)面的影響。配有15寸乃至 更長(zhǎng)的槳葉和大型盤式電機(jī)的大型6旋翼，8旋翼飛行器的操控性的大大低于配有9寸槳葉 和小尺寸電機(jī)的小型4旋翼飛行器。
[0011] 穩(wěn)定性：
[0012] 飛行器的穩(wěn)定性取決于兩個(gè)方面，一個(gè)是其自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，一個(gè)是其在環(huán)境干 擾影響其穩(wěn)定性的情況下，其負(fù)反饋調(diào)節(jié)的能力。小型飛行器軸距小，質(zhì)量小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小， 容易受到環(huán)境干擾，但其操控性好，負(fù)反饋調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度快，但由于小型飛行器的總功率 較小，電池容量也小，大大影響負(fù)反饋調(diào)節(jié)的極限能力，總體而言，穩(wěn)定性較差。大型多旋翼 飛行器軸距大，質(zhì)量大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，抗環(huán)境干擾能力優(yōu)于小型飛行器，但其操控性差，負(fù) 反饋調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度較慢，對(duì)于飛行環(huán)境的抗干擾性總體上來講也不太強(qiáng)。
[0013] 機(jī)動(dòng)性：
[0014] 小型飛行器的電機(jī)和螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，反應(yīng)迅速，而且整機(jī)體積小，重量輕，機(jī) 身的各個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都小，因此機(jī)動(dòng)性非常好；大型無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性則相對(duì)低的多，特 別的對(duì)于穩(wěn)定性有強(qiáng)烈要求的專業(yè)航拍大型8旋翼飛行器，機(jī)動(dòng)性相當(dāng)差。
[0015] 續(xù)航時(shí)間：
[0016] 電子調(diào)速器調(diào)控電機(jī)的轉(zhuǎn)速，類比汽車的加減速過程。從0-100碼加速，可以小油 門慢慢加速，也可以大油門迅速加速；從100-0碼的減速，可以輕柔剎車慢慢減速，也可以 重踩剎車，迅速減速。由于響應(yīng)速度的需求，當(dāng)需要轉(zhuǎn)速迅速增加的時(shí)候，電機(jī)需要更大的 電流，好比汽車急速加速導(dǎo)致油耗突然增大一樣，電機(jī)的瞬間電耗迅速增大；類似的，需要 轉(zhuǎn)速迅速下降的時(shí)候，電流迅速減小，但電機(jī)和螺旋槳由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的因素，減速較慢，這 種速度差造成的"剎車效果"亦會(huì)產(chǎn)生不必要的電耗損失。因此，無(wú)論加速和減速，電耗都 在大大增加。多旋翼飛行器的任何姿態(tài)調(diào)整都需要調(diào)節(jié)電流來調(diào)控電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種方式 雖然使得飛行器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，但極其耗電。并且越大型的飛行器，為了減少對(duì)于姿態(tài)調(diào)整 的響應(yīng)時(shí)間，其所耗費(fèi)的電量就越大。由此飛行器的實(shí)際使用的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理想狀態(tài) (海平面附近上方且無(wú)風(fēng)環(huán)境下）的懸停的時(shí)間，大約只有理想狀態(tài)懸停時(shí)間的40%左右。
[0017] 很多小型4旋翼飛行器由于電機(jī)效率不高，拉力較小，最大起飛重量小，電池已經(jīng) 占了總重量的25%以上，無(wú)法承載更大容量電池，在無(wú)風(fēng)靜止懸停的工況下，懸停時(shí)間約為 20分鐘，在實(shí)際使用過程中如果機(jī)動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)或者風(fēng)大的情況下，甚至不到10分鐘，極大 的限制飛行器的應(yīng)用。6旋翼，8旋翼飛行器雖然可采用效率高的大型電機(jī)和槳葉，提高拉 力以承載更多的設(shè)備和電池，但為了實(shí)現(xiàn)較佳的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性，大型多旋翼飛行器的操 控起來極其耗電，實(shí)際使用時(shí)間相對(duì)小型飛行器并無(wú)較大提高。
[0018] 終上所述，小型飛行器和大型飛行器，因?yàn)檩S距和體積不同，且采用了不同規(guī)格的 電機(jī)和螺旋槳，造成了電機(jī)效率，載重，操控性，穩(wěn)定性，機(jī)動(dòng)性和使用時(shí)間的變化。由于不 同大小電機(jī)和螺旋槳本身的性能的變化產(chǎn)生的各種優(yōu)缺點(diǎn)，使得飛行器無(wú)法同時(shí)優(yōu)化所有 性能：小型飛行器的電機(jī)效率低，載重小，穩(wěn)定性差和使用時(shí)間短，但操控性和機(jī)動(dòng)性強(qiáng)； 大型飛行器操控性和機(jī)動(dòng)性差，但電機(jī)效率高，穩(wěn)定性很好，載重大，使用時(shí)間也可以通過 增加電池容量來改善。
[0019] 另外，除了常見的4、6、8旋翼飛行器外，還有特殊結(jié)構(gòu)的2旋翼、3旋翼飛行器。
[0020] 2旋翼飛行器兩個(gè)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置相反，通過抵消扭矩可以保證水平面上 不自旋，但質(zhì)量和力矩的分布基本在一條直線上，容易側(cè)翻，總體來說沒有4,6,8旋翼飛行 器穩(wěn)定。垂直方向上的運(yùn)動(dòng)可以通過調(diào)節(jié)電機(jī)的拉力來實(shí)現(xiàn)，但縱向（俯仰）和橫向（滾 轉(zhuǎn)）運(yùn)動(dòng)，前后飛行等則需要通過方向舵或者電機(jī)所在軸本身扭轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，而不是類似4旋 翼飛行器等直接通過獨(dú)立電子調(diào)速器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)由于電機(jī)數(shù)目少，總體拉 力較小，最大負(fù)載和使用時(shí)間有極大限制。
[0021] 3旋翼飛行器由于是奇數(shù)電機(jī)，扭矩平衡需要特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同樣也多采用方向舵 或者轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸的方式來實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。
[0022] 總體而言，小于4旋翼的多旋翼飛行器，都需要非電子調(diào)速器的輔助裝置來完成 其平衡性和可操控性，既增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，一旦輔助裝置失效，飛行器極有可能失控 并墜毀。同時(shí)由于螺旋槳數(shù)量很小，單個(gè)螺旋槳提供的升力有限，無(wú)法提供大量的額外的 升力用作它用，并且動(dòng)力冗余小，但凡一個(gè)軸出問題，基本沒有任何方法可以補(bǔ)償失去的升 力。 【【實(shí)用新型內(nèi)容】】
[0023] 本實(shí)用新型的目的在于，提供一種多旋翼飛行器，通過新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得飛行 器能在較低的電耗下其飛行姿態(tài)