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科普 | 植保無人機(jī)技術(shù)小知識之四旋翼無人機(jī)
四旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)總結(jié)
01無人機(jī)的類型
無人機(jī)分為固定翼和旋翼無人機(jī)。
固定翼無人機(jī)依靠螺旋槳或者渦輪發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的推力作為飛機(jī)向前飛行的動力，主要的升力來自機(jī)翼與空氣的相對運動。其優(yōu)點是飛行速度快，比較經(jīng)濟(jì)，運載能力大。
旋翼無人機(jī)依靠空氣中旋轉(zhuǎn)螺旋槳產(chǎn)生足夠的升力來平衡重力，實現(xiàn)飛行。其優(yōu)點是可垂直起降、可懸停，靈活易于控制。
02四旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)
1、安裝平臺
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個電動機(jī)，經(jīng)常使用塑料、玻璃鋼、碳纖維復(fù)合材料制作，選材時應(yīng)同時考慮強(qiáng)度和質(zhì)量。
(3)分電板用于電動機(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)動額外設(shè)備。
(4)載荷區(qū)用于承載相機(jī)、云臺、農(nóng)藥箱等設(shè)備。
(5)起落架用于在著陸時保護(hù)機(jī)身。
2、感知與控制
自動駕駛儀。自動駕駛儀可分為飛行控制器、外部傳感器系統(tǒng)、通信、驅(qū)動。
(1)飛行控制器主要功能有兩點。接收來自遙控器的信號，控制電調(diào)輸出，進(jìn)而調(diào)整螺旋槳的轉(zhuǎn)速完成無人機(jī)的起飛、懸停、俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航、降落等動作；通過傳感器的數(shù)據(jù)，在無控情況下，通過電調(diào)輸出，穩(wěn)定飛行器。
(2)加速度計和陀螺儀是基礎(chǔ)的兩個傳感器，用來保持無人機(jī)的穩(wěn)定。它們測量無人機(jī)的姿態(tài)角度和旋轉(zhuǎn)角速度，多數(shù)都包含3個測量單元，用來測量3個軸向的數(shù)據(jù)。如所有傳感器一樣，使用前需要先校準(zhǔn)。
(3)氣壓計是用來測高的傳感器，根據(jù)氣壓和高度的變化關(guān)系，可以很好地測出高度的改變，一般內(nèi)置一個溫度傳感器，用來補(bǔ)償溫度變化帶來的影響。可以配合GPS獲得海平面高度值，以修正高度。
(4)磁力計是用來定向的傳感器，如指南針一樣，利用地磁確定方向，使用時注意盡量避免強(qiáng)磁場的干擾。
(5)GPS衛(wèi)星定位傳感器可以為無人機(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測量飛控板塊及驅(qū)動電壓是否符合要求。只有穩(wěn)定的電源電壓才能讓設(shè)備穩(wěn)定地工作。另外，此傳感器也用來測電源剩余電量。
(7)距離傳感器分為超聲和紅外傳感器，在無人機(jī)避障，著陸都有應(yīng)用。
(8)地面站包含所有針對無人機(jī)在地面使用的裝置。地面站的遙測模塊可以與無人機(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。
3、動力系統(tǒng)
電機(jī)與電調(diào)。
(1)電機(jī)是無人機(jī)的動力來源，目前主要使用無刷電動機(jī)，使用半導(dǎo)體開關(guān)實現(xiàn)電子換向，使用壽命長，動力比較強(qiáng)勁。
(2)電子調(diào)速器是用于控制無刷電動機(jī)的設(shè)備，它將時序的電能傳給電動機(jī)，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。
(3)螺旋槳。螺旋槳直接產(chǎn)生驅(qū)動無人機(jī)的推力，使之運動，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)系無人機(jī)和人身的安全，可以通過螺旋槳適配器固定它。
(4)電池。為無人機(jī)上的所有設(shè)備提供電能。電池的選擇應(yīng)同時考慮重量和容量，其中鋰聚合物電池的能量密度大。
其中共有8中運動狀態(tài)：
狀態(tài)
F1電動機(jī)
F2電動機(jī)
F3電動機(jī)
F4電動機(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，都使無人機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)，而兩者產(chǎn)生的離心力又相互抵消，所以無人機(jī)質(zhì)心并不移動。右旋分析類似。
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，所以無人機(jī)發(fā)生向左傾斜，F(xiàn)和mg的合力會產(chǎn)生一個向左的力，牽引無人機(jī)左飛。右飛、前飛、后飛分析類似。
